圆柱绕流水动力学特性的数值模拟

应用计算流体动力学软件FLUENT对低雷诺数(Re)(Re≤300)下圆柱绕流问题进行数值模拟。采用分区结构化网格及层流模型求解不可压缩Navier-Stokes方程,在未施加任何扰动的条件下获得了圆柱绕流2种特殊的绕流场,系统分析了壁面压力系数、平均阻力系数、脉动阻力、升力系数及旋涡脱落频率等水动力学特性参数随Re数变化的规律,结果与实验研究吻合较好。     

低雷诺数下五圆柱绕流的数值模拟研究

基于四叉树自适应网格,采用有限体积法求解二维不可压粘性N-S方程,对X型排列和十字型排列的五圆柱绕流进行了模拟,计算均在Re=100的条件下进行.在文中给出了升力系数及阻力系数随圆柱间距比和排列方式变化的规律,并结合不同间距比下的流动特征进行了分析.计算结果表明,在不同的间距比下,五圆柱绕流存在三种不同的流动形式;在同一间距比下,十字型布置和X型布置的流动形式则既有类似之处又有各自的特点.在不同排列方式下,升阻力系数随圆柱间距比的变化规律有较大不同.     

一种基于表面涡方法的流体诱导管束振动计算模型

为了研究热交换器中管束的流体诱导振动问题,提出了一种基于表面涡方法的圆柱绕流计算模型,包括分离点计算模型和流固耦合模型.利用这一模型,分别模拟了Re为2.67×104时单个刚性圆柱和弹性圆柱的流体诱导振动问题,并计算了圆柱的振动响应、流体力、振动频率和涡云图等.计算结果反映了流体绕刚性圆柱流动的主要特征,以及弹性圆柱流体诱导振动的限幅和非线性(共振区)特性,所得到的平均阻力系数、升力系数、斯德鲁哈尔频率和最大振动幅值与相关文献中的实验结果具有很好的一致性.该模型具有简便、快捷以及能够对亚临界雷诺数下的流体诱导振动问题进行计算等优点,为多圆柱流体诱导振动问题提供了一种新的计算模型.     

基于浸入边界法的二维流场数值模拟

采用浸入边界方法进行了圆柱绕流的数值模拟.浸入边界方法是通过在Navier-Stokes方程中加入一项体积力,以满足物面边界的无滑移条件.整个流场在笛卡尔网格上求解,物面边界用均匀分布的拉格朗日点表示.拉格朗日点上的力通过离散了的Navier-Stokes方程求解后再分布到周围的网格点上.在有限差分法的基础上利用浸入边界方法分别计算了Re=40和Re=100时圆柱绕流,并将升力系数,阻力系数,斯特鲁哈尔数等结果与文献中的数值和试验结果进行了比较.     

错列双圆柱下游圆柱的升力机理

采用大涡模拟(LES)的方法,在雷诺数Re=1.4×10~5时,研究了间距P/D=4(P为圆心间距,D为圆柱直径)、风向角0°～90°的错列双圆柱的气动力特性和干扰流态,从流场角度分析了下游圆柱受到平均升力和脉动升力作用的流场机理.结果表明:随着风向角的增大,两个圆柱的干扰流态依次为旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态、剪切层干扰流态、尾流干扰流态;在旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态下,上游圆柱的旋涡与下游圆柱发生强烈的撞击,导致下游圆柱的脉动升力远大于单圆柱;在剪切层干扰流态下,下游圆柱受到显著的平均升力作用,下游圆柱风压停滞点的偏移以及上游圆柱的旋涡与下游圆柱间隙侧剪切层(或旋涡)的相互作用,是下游圆柱受到平均升力作用的两个原因.     

马赫数及间距对串列双圆柱超声速绕流的影响

为揭示不同条件下超声速圆柱绕流流动机理，该文对等直径串列双圆柱超声速绕流进行了数值研究。该文基于有限体积法和欧拉方程，结合5阶高精度加权本质无振荡格式，对不同马赫数及不同圆柱间距对流场的影响规律进行了数值研究，获得了超声速串列双圆柱绕流流场稳定后的流场特性和升力、阻力系数变化规律。结果表明，计算域内的复杂波系主要由弓形激波、反射激波以及弱激波组成；马赫数的增加会使激波结构被拉伸，改变弓形激波在壁面发生的反射类型，并造成计算域出口壅塞进而影响升力、阻力系数的稳定；圆柱间距的增加使得圆柱后方速度剪切层发生摆动，并造成不同间距条件下升力、阻力系数间的差异。     

高雷诺数时弹性圆柱在浪流联合作用下的升力和阻力

本文在0.5×10~5≤Re≤5.47×10~5,波高(H)为15,20,25,30,40cm(相应的波浪周期Tw为1.28,1.47,1.65,1.8和2.1s)的范围中实验研究了弹性圆柱的流体载荷.通过测试圆柱表面压力,得到了稳态阻力系数、脉动升力和阻力系数,以及升力谱表达式.结果表明:圆柱振动对流体载荷有不容忽视的影响,在高雷诺数时,当波浪遭遇频率与旋涡发放带接近时,圆柱的升力谱将发生变化.     

尾流干扰下下游圆柱气动性能的流场机理

采用大涡模拟方法,在高雷诺数(Re=1.4×10~5)下,以间距比P/D=1.5～4的静止双圆柱为对象,研究了下游圆柱的气动力系数、风压系数以及流场特性随风向角的变化规律,分析了下游圆柱气动力与流场结构的内在关系,基于圆柱壁面摩擦系数和干扰流态探讨了下游圆柱气动性能的流场机理.研究表明:对于小间距双圆柱(P/D3),下游圆柱会受到明显的平均负阻力作用,两个圆柱间隙中方向相反的一对回流(串列)以及高速间隙流(错列)是出现负阻力的流场机理;对于小间距错列双圆柱(P/D=1.5～3),下游圆柱还会受到很大的平均升力作用(内侧升力),下游圆柱的风压停滞点偏移、高速间隙流和间隙侧壁面的分离泡是出现这一升力的主要原因;对于间距较大的错列双圆柱(P/D=3～4),下游圆柱也会受到明显的平均升力作用(外侧升力),但其机理与小间距时不同,是由下游圆柱的风压停滞点偏移及其间隙侧气流分离点后移造成的.     

基于CFD的深水隔水管螺旋列板几何参数优选

基于计算流体动力学方法(CFD),利用FLUENT软件计算亚临界雷诺数条件下隔水管和螺旋列板的升力系数和曳力系数等流场参数并进行对比;以流场参数为目标函数,建立正交数值模拟试验,并对螺旋列板几何参数进行敏感性分析,确定几何特性对列板性能的敏感度.结果表明:列板高度和条数对减振功效和曳力性能郁有显著影响;优化的几何参数组合可为现场应用中螺旋列板的结构设计提供参考.     

壁面加热对微圆柱漩涡脱落的影响

建立二维数学模型,对比研究了低雷诺数下（0~100）壁面加热对直径分别为2 cm、20 μm及2 μm的微圆柱漩涡脱落的影响规律。深入探讨了直径、壁面与流体温差对圆柱绕流中漩涡生长和脱落规律、尾流区速度、温度场及涡街参数分布等的影响规律及其原因,并基于计算结果拟合出了低雷诺数下斯特劳哈尔数（Sr)与雷诺数（Re)的定量关系式。研究发现当圆柱直径降至2 μm时,与常规尺度圆柱相比微圆柱尾流区涡街的出现明显提前;而壁面加热减小了三者的差距,使三种不同直径圆柱背风区涡街出现的最低Re均降至40以下。微圆柱涡街的漩涡列距和间距之比h/l的值随着温差的增加而逐渐增大;相同温差下不同直径圆柱尾流区涡街h/l均随Re增加而减小,在相同Re下h/l值随圆柱直径的减小而明显增大。存在壁面加热时微圆柱绕流的Sr要高于无加热工况,两者之差最高可达20%左右。     

换热直管内外流诱导振动频率漂移特性

采用二维圆柱绕流模型,得到换热直管在较大范围雷诺数的横掠外流场作用下的升力和阻力函数,将其作为激励,同时考虑管道在非定常流动中的附加质量,建立了一种改进的内外流固耦合计算模型.计算结果表明:横掠外流带来的附加质量会导致管道固有频率的漂移,雷诺数也会影响外部激励的频率.由于内流雷诺数也会影响管道的固有频率,因此在特定的内外流共同作用下管道可能发生共振.本模型可以预测发生共振时内外流雷诺数的范围,为合理设置内外流的安全运行工况提供理论依据.     

用一个改善的标志网格方法对二维方柱涡脱落流的计算（英文）

对处于均匀流中高Ｒｅ数的二维方柱的气动力行为进行了数值研究．使用了二维不可压粘性ＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓ 方程和三维不可压ＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓ 方程两个模型,没有采用湍流模型,在非均匀网格系统下进行了计算,对对流项采用三阶逆风格式,求解压力方程组使用多重网格,大大提高了传统的ＭＡＣ方法的效率．对均值和脉动气动力以及Ｓｔｒｏｕｈａｌ数、功率谱等项与实验进行了比较,取得了比较满意的结果     

运动平板附近圆柱绕流的数值模拟

用格子Boltzmann方法模拟运动平板附近的圆柱绕流问题, 给出一种精确确定临界间隙率的综合判定方法, 并分析了流场特性的内在本质以及各种物理现象之间的联系. 将圆柱置于运动平板上方, 平板运动速度与入口处均匀来流的速度保持一致, 模拟的雷诺数为1 000. 定义间隙率为G/D, 其中G为圆柱边界到运动平板的最小距离, D为圆柱的直径. 结果表明: 当间隙率取值范围不同时, 流场特性有较大差异; 与孤立圆柱相比, 本文中的升力和阻力有明显增加, 并且旋涡脱落也受到平板抑制.     

圆柱绕流的三维数值模拟

利用计算流体力学软件CFX－4,对粘性不可压缩流体的圆柱绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和SIMPLE计算程式,利用不可压缩Navier-Stokes方程,模拟雷诺数在亚临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性。为克服数值模拟高雷诺数时的数值不稳定性,计算中采用了QUICK迎风格式,其对流项为三阶精度,其余项如扩散项等为二阶精度,圆柱两端边界采用周期性边界条件。计算结果表明,高雷诺数时圆柱周围的流动具有明显的三维特性,且沿柱长方向不同断面的升力和阻力系数并不相同。同时,对圆柱绕流进行了二维数值模拟,并与三维数值结果进行比较,发现三维模拟的升力和阻力系数均小于二维模拟。     

隔水管附属管控制流动的离散涡模拟分析

采用离散涡方法对单隔水管和带附属管的隔水管的二维绕流问题分别进行了数值模拟分析.首先对4种不同附属管管数的配置情况进行了模拟,结果表明,除了管数为4、来流角度为45°的情况外,附属管能在一定程度上降低升阻力,并抑制漩涡脱落,在附属管管数较多的情况下,抑制效果更好;然后对附属管管数分别为4和10的2种布局,进行了来流方向的敏感性分析并与实验结果对比,发现多管数对来流方向的敏感性要低得多,相对于单隔水管,10根管能使时均阻力系数和脉动升力系数分别获得约26%和79%的降低.采用离散涡方法,不仅计算时间短,而且模拟结果比较可靠,具有较好的参考价值,丰富了控制隔水管绕流流动的研究手段.     

绕横向振动圆柱分离流动的数值研究

本文用由作者提出并发展的一种基于区域分解思想.综合了解N—S方程的有限差分法及涡法各自优点的新数值方法,研究了均匀流绕横向振动圆柱的分离流动,考察了圆柱振动对涡旋脱落,升力,阻力等的影响.成功地模拟了“锁定”这一重要的液固相互作用的非线性现象。计算结果与国外实验结果和其他计算结果符合较好。     

超临界雷诺数下圆柱分离旋涡运动的数值研究

本文在文献[1]的基础上,用离散涡模型与湍流边界层理论相结合的方法,研究了超临界雷诺数下圆柱突然起动后的分离旋涡运动。文中考虑了二次涡的影响和涡旋的粘性扩散。计算结果与实验结果相符。     

窄条控制件对流向振荡柱体尾流旋涡脱落的抑制

在流向振荡圆柱体尾流中施加一个静止的窄条控制件,对尾流涡脱落及作用于柱体的平均和脉动力进行抑制.未加控制情况下,存在非锁频和3种锁频状态的涡脱落模式.流动显示及尾流脉动速度谱和脉动升力谱的分析表明,当控制件位于有效控制区域时,可抑制非锁频和2种锁频状态下的旋涡脱落,并且使脉动升力和平均阻力有明显减少.本文研究了柱体的振频、雷诺数,窄条宽度及阻塞度对有效区的影响并探讨了控制机理.     

低雷诺数下附属棱柱的圆柱绕流减阻

目前圆柱绕流减阻方案的探索一直是绕流研究的热点,有关棱柱作为扰流柱对圆柱减阻效率影响的研究却较少.基于不可压缩黏性流动Navier-Stokes控制方程,利用OpenFOAM对附属棱柱下圆柱绕流问题进行数值模拟.在圆柱上游或下游设置双扰流棱柱,研究了雷诺数为200时不同角度、间距比的棱柱对其升力、阻力系数和涡脱频率的影响.结果表明:附属棱柱能有效改善圆柱表面的压力分布,降低压差阻力;上游设置棱柱时对圆柱的减阻效率可以达到37.21％,较下游设置棱柱的减阻效率更高;下游设置棱柱时对圆柱升力的抑制效率高于上游棱柱,可以达到99.86％;上下游同时设置棱柱时对圆柱升力、阻力的抑制效果能得到进一步提高,较单圆柱平均阻力系数可以降低54.63％,升力系数可以降低99.94％.