匀动螺旋单涡管诱导压力场的解析解

推导了在圆柱直管中作均匀运动的螺旋单涡管诱导核外压力场的解析表达式,若令柱管直径趋于无穷大,该表达式也能够描述在无限域中螺旋单涡管诱导核外压力场,假设相对速度场定常且具有螺旋对称性,并利用已获得的涡管诱导相对速度场和相对坐标系下动量方程求其诱导压力场,获得的结果显示：压力场是时间的周期函数,仅当螺旋涡管静止或沿自身的空间螺旋线轴滑移时,螺旋涡诱导的压力场退化为定常场,该退化现象已被实验证实;圆柱直管壁上的压力极值点计算位置与现有实验的测量位置一致,压力公式显示管壁压力脉动频率是均匀分布的,这一结论也与现有压力实验的频域特性相符合。     

螺旋曝气特性与流场分析

为了提高曝气效率,提出了一种具有螺旋流场特性的新型曝气方式.通过对螺旋曝气进行理论分析发现,该方法可以提高气液两相的总接触面积,进而增强曝气效率.同时采用EulerEuler双流体模型对螺旋曝气池流场进行了数值模拟,并与传统曝气方式(垂直曝气和水平曝气)进行对比分析.工程实例分析结果表明,当曝气总流量为7.48 kg/s时,螺旋曝气池全流域平均混合效率约为垂直曝气池的23倍,且为水平曝气池的10倍.此外,对螺旋曝气池中涡运动和湍流脉动等流动机理进行分析以及对气含率分布的考察发现,螺旋曝气中的气羽柱前行路径成螺旋状,涡运动和湍流脉动增强,使得气液总接触面积增大,流场更均匀,曝气效率更高.     

着火物在火焰旋涡流场中运动规律研究

在森林火灾中,各种旋涡大量存在,着火物在旋转流场作用下运动导致火灾蔓延．本文采用二相流单颗粒模型,研究了着火物在火焰旋涡流场中的运动,给出了环境气流分别以Ｂｕｒｇｅｒｓ涡和Ｓｕｌｉｖａｎ涡作旋转运动时,着火物的运动规律．结果表明,着火物将在火焰旋涡流场作用下,被加速带到高空,并飞离流场,形成飞火传播．     

离散涡法模拟不同直径串列圆柱绕流

通过在势流场中嵌入有限数目的点涡来代表局部有旋区域连续分布的涡量,在拉格朗日框架下应用离散涡方法求解非定常涡量方程。从而有效模拟了高雷诺数下不同直径串列圆柱绕流脱落旋涡的动态演化过程,并分析了流场中大尺度旋涡相干结构对前后圆柱受力的影响．结果表明,流场中的小尺度旋涡会被大尺度旋涡卷吸．形成涡量强度更大的旋涡．当大圆柱在前、小圆柱在后布置时,大圆柱的升、阻力系数受影响较小,大圆柱阻力系数基本保持不变,小圆柱阻力系数平均值较小但振幅波动较大,大圆柱的升力系数波动较大,大、小圆柱的升力系数的平均值都基本为0;当小圆柱在前、大圆柱在后布置时,大圆柱阻力系数振幅增大而平均值降低,小圆柱阻力系数振幅减小而平均值增大,大、小圆柱的升力系数趋向于一致,平均值仍然都基本为0．     

基于Fluent的多圆柱体绕流场数值模拟

 圆柱绕流一直是海洋工程研究热点,对海洋工程有重要意义。在海洋工程应用中,多圆柱间相互干扰现象普遍存在,多圆柱绕流特性一直是研究的热点和难点。为了分析多圆柱绕流场的形态结构,本文应用Fluent软件,采用数值求解RANS方程的黏性流方法,对典型的多圆柱黏性绕流场进行模拟。结果表明,串列双圆柱绕流场与圆柱间距有关;并列双圆柱尾流存在反向对称涡街;斜置双圆柱与3圆柱绕流场存在后柱抑制前柱涡的分离现象;方形排列4柱绕流场尾涡存在非对称性。同时表明Fluent软件对多圆柱体绕流场的数值模拟是有效的,本文采用的方法能定性正确地模拟多圆柱绕流的流动细节。     

圆柱绕流的离散涡数值模拟

首先用面元法模拟了圆柱绕流的势流解,得到了多个圆柱不同配置下的流线图.在此基础上按照一定分离规则引入点涡,就可以用离散涡方法很好地模拟多圆柱绕流.先后得到了流场的流型、涡量等值线图、速度矢量图和阻力升力系数.结果表明单圆柱和双圆柱后的流场有相当大的差别,后者的流型、速度矢量分布都发生了很大的变化,阻力和升力系数也显著增大.     

倾斜柔性抑制圆柱的涡激振动特性

海洋工程中圆柱结构轴向与来流常存在一定倾斜角度,倾斜状态下柔性圆柱涡激振动特性十分复杂,至今仍缺乏倾斜圆柱涡激振动抑制的相关研究.在室内拖曳水池中开展了长度5.6m、倾角30°、长径比350的倾斜柔性圆柱涡激振动抑制实验,采用应变片测量结构顺向流与横向流的应变信息,运用模态分析对应变数据进行分析处理.通过附带螺旋列板装置的抑制圆柱与光滑圆柱实验结果对比,发现螺旋列板对倾斜圆柱涡激振动有一定抑制作用,然而对响应幅值、控制模态等抑制效果并不理想.     

弹簧压并状态下悬架减振器绕流涡旋特性分析

为研究汽车行驶过程中减振器弹簧压并状态下翼子板内流场特性的变化,将该状态下的减振器简化为三维变截面圆柱模型,并建立变截面圆柱绕流三维流场模型,利用Transition SST四方程转捩模型模拟低、中、高3种车速对大、小圆柱绕流涡旋特性的影响.结果表明:绕流后尾涡的大小、形态、上升角均受圆柱直径、雷诺数及边界条件的影响,在变截面处验证“下洗”运动对N区边缘涡生长的直接作用及对L区涡旋分布的干扰作用;3种流速下适合绕流涡旋振动压电能量回收的最优夹角分别为±10°,±15°,±20°;在有界的高雷诺数流场下对变截面圆柱绕流涡旋重新分区,发现新的涡旋连接方式.     

阶段流下大长细比深海立管抑振敏感性试验研究

在大型波流耦合试验水池中进行了阶段流作用下深海立管涡激振动抑振敏感性试验研究。试验立管模型长6.2m,长细比310,模型材料采用铜管,立管上部1.2m处于均匀稳定的流场中,下部5.0m处于静水之中。采用螺高为0.25 D的梯形截面双螺旋和三螺旋导板作为抑振装置,研究了不同覆盖率对立管涡激振动抑制效率及振动频率的影响,分析了其敏感性规律。结果表明:螺旋导板在立管上的覆盖率对抑制涡激振动有着重要的影响;在敏感区域内,覆盖率对抑制效率及振动频率的影响产生明显的过渡;当覆盖率超出敏感区域,抑制效率高且变化较小,而立管振动频率则产生明显的降阶。     

具有运动边界不可压缩黏性流动的CBS有限元解法

基于特征分裂(CBS)算法,提出了一种适用于具有运动边界的不可压缩黏性流动问题的有限元解法,给出了不可压缩黏性流动问题的控制方程,并推导了其无量纲形式.将传统CBS算法与动网格技术相结合,提出了一种动边界流动问题的求解流程,并对所采用的基于弹簧近似的动网格方法进行了说明.采用该方法对静水和均匀来流中的简谐振动圆柱绕流问题进行了求解,计算所得圆柱受力、圆柱表面压力和涡量分布以及流场速度分布等结果均与已有数值或实验结果相吻合,初步验证了所提方法的可行性.     

Kinematics and forces of a flexible body in Karman vortex street

Experiments of a flexible filament in the wake of a cylinder and in free stream were conducted in a vertical soap film tunnel. The experiments distinctly visualized the movement of the filament. Based on the experimental kinematic results, a 2-d panel method was used to calculate the forces acting on the filament. The experiment and numerical results revealed that different from that in free stream, the filament in Karman vortex street flapped at the same frequency as the vortex street, and with smaller amplitude and larger curvature. The filament suffered an evident thrust in Karman vortex street, while a drag appeared in the case of free stream. The dependence of the drag coefficient on the phase relation between the movement of the filament and the Karman vortex street was also studied. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10832010) and Innovation Project of Chinese Academy of Sciences (Grant No. KJCX2-YW-L05)     

柱状旋流分离器旋转涡核边界分布特性

采用微分雷诺应力模型对柱状旋流分离器气体单相流场中的旋转涡核边界分布特性进行数值模拟,阐述涡核的衰减形态,考察升气管直径、入口面积以及筒体长度变化对旋转涡核边界分布的影响。结果表明:零轴速包络边界与旋转涡核边界分属不同面,二者分布于升气管投影面的两侧;旋转涡核在分离器中的自然终止形态是涡核尾端弯曲终止于壁面,并沿壁面做圆周运动;涡核边界宽度随升气管直径的减小、入口面积的增大而减小;当筒体较短时,在较大跨度的升气管直径分布内,涡核边界沿轴向近似成柱状分布。筒体长度增加会使切向速度沿轴向产生衰减,涡核边界在升气管入口区域向外扩张,沿轴向向下逐渐收缩。     

纵向涡发生器在翅片管束中的位置优化

采用经过验证的层流模型,对带纵向涡发生器的单排翅片管束的流动换热进行建模分析,就距离圆心4种距离、5种角度的纵向涡发生器对翅片管束性能的影响机理展开分析,发现涡发生器对翅片管束的作用表现在翅片上弱换热区大小的改变和沿流动方向涡量强度的改变两个方面.涡发生器能够推迟圆柱绕流的分离点进而减小管后弱换热区,同时能够利用较大涡量的主涡使局部核心区的流体混合,提高流体的温度梯度.对比结果表明,在雷诺数范围为600～2 600,对单排圆管翅片管束而言,涡发生器相对翅片管束圆管中心为130°同时离圆心相对距离为1.36时效果最好,综合性能指标提高7%～30%;对于两排翅片圆管管束,顺排和叉排都在第二排涡发生器角度为120°时效果最好,综合性能指标提高分别可达15%和28%.     

活塞和圆盘涡环的运动学特征分析

采用数值模拟方法,使用流函数和拉格朗日相关结构对由2种生长机制所得涡环的典型物理特征进行分析.结果表明:由2种生长机制所得涡环均属于薄核涡环,其涡核的涡量分布满足高斯分布,并且具有统一的物理模型;但由于2种涡环生长过程中的环境差异而导致其运动学特征存在差异,主要表现在涡环的传输速度和无量纲涡核半径有所不同.     

黏性流中的链环涡管演化与螺旋度分析

本文通过直接数值模拟研究了链环涡管在不可压缩黏性流中的演化过程.在初始时刻的链环涡管由两个变形的涡环组合而成,其螺旋度为依赖于涡轴参数方程的解析表达式,进而可利用该初始流场进行涡管演化研究与螺旋度分析.发现当初始链环涡管的涡量方向具有相同手性时,链环涡管和环面纽结涡管的演化具有类似的涡动力学过程;而当它们具有相反手性时,涡管间的强涡量梯度会使两涡环在短时间内产生剧烈的涡重联,从而导致涡环由快速的尺度级串过程达到类湍流状态.     

水力旋流器内部流场的数值研究

在PIV实验验证的基础上,利用RSM雷诺应力模型和VOF两相流模型对50mm水力旋流器内部流场进行了系统的数值研究.结果表明:旋流器内静压从器壁至中心逐渐下降,静压为0处即为空气柱边界,空气柱内为负压,空气柱的存在增加了分级过程的能量消耗;旋流器内切向速度分布符合组合涡特征,内部为强制涡运动,外部为半自由涡运动;零速包络面是轴向速度方向发生改变的转折面,其上部为柱形,下部为锥形,柱形段直径约为溢流管的23倍;在外旋流区域径向速度方向从旋流器器壁指向中心,内旋流区域存在方向相反、位置相对的径向速度,空气柱内径向速度基本为0.     

整数与分数阶涡旋光束相位奇点的稳定性分析

通过衍射积分理论对整数阶以及分数阶涡旋光束的相位奇点的稳定性进行了研究.对于任意整数阶涡旋光束,推导了其在传输中电场的解析表达式;对于分数阶涡旋光束,不能给出传输中电场的解析解,仅能解析计算中心点电场在传输中的值.理论证明和模拟计算表明整数阶涡旋光束的相位奇点具有稳定性,传输后涡旋的暗核能够得以维持,光强仍然具有中心对称性分布;分数阶涡旋光束不具备稳定性,传输后几何中心电场不再为零,且观测平面上的光强分布也不再具有中心对称的特点.实验分析表明整数阶涡旋光束更适合于自由空间光通信系统.     

超声空化场的致热机制及其聚束喷射时的致热速率

分析表明,超声空化泡崩溃时的高温声冲流和高压冲击波是使塑料致热熔融的机制.采用圆锥形和圆柱形玻璃管对单束超声空化场聚束喷射时,致热速率明显加大,这是因为空化泡在声辐射压力作用下聚集于喷射空化场前峰区的密度得以提高,因而增强了空化集中的致热效果.     

基于管道改进的蝶阀阀板驱动力矩特性优化

安装在直管中的蝶阀开启时,其阀板下游流场中会产生漩涡,引起管道振动,进而影响阀板的驱动力矩特性。为减少漩涡的影响,本文在蝶阀出口附近处增加一渐扩渐缩管段,并以空气作为流动介质,利用CFD软件进行数值仿真,分析阀板处于不同开度时管道中流体的速度场、压力场分布规律及阀板驱动力矩特性曲线。结果表明,在蝶阀出口附近处安装渐扩渐缩管段,可以有效地减小阀板下游流场的漩涡,使阀板驱动力矩明显减小,有利于对蝶阀阀板开度及流量的精确控制。