超临界雷诺数下Spar平台大直径柱体绕流的三维数值模拟

基于Smagorinsky-Lilly模型,采用大涡模拟方法,研究了超临界雷诺数(Re)下大直径柱体的三维黏性绕流问题.在Re=6×107下,对某经典式Spar平台大直径柱体在均匀来流中的三维粘性绕流特性进行了数值模拟与分析.结果表明,尽管来流是均匀的,但在这种超临界Re下大直径柱体尾涡会产生显著的三维结构,使得沿柱体表面压力及阻力系数的分布特性发生明显变化.     

高雷诺数流动模拟的LBM方法

针对贴体网格下广义形式的补充插值LBM方法 (generalized interpolation lattice Boltzmann method, GILBM),发展了一种当地时间步法,在改善高雷诺数下翼型绕流模拟中计算稳定性的同时,有效地提高了计算效率.另外,通过引入非平衡态外推边界处理,合理解决了LBGK模型中处理复杂边界困难的问题.对5.0×10~4Re5.0×10~6的NACA0012翼型绕流进行了数值模拟,并对算法的计算效率和稳定性进行分析,证明了发展方法的优越性.     

低Reynolds数下单排方柱绕流尾迹涡型的LBM模拟

针对工程中遇到的周期柱体绕流问题,采用格子Boltzmann方法(LBM)对低Reynolds数下单排周期排列方柱的定常绕流进行数值模拟,详细分析了柱体后面的尾迹涡型随着Reynolds数的变化情况,并通过对不同Reynolds数下尾迹涡型结构的分析,得到了二射流、三射流和四射流发生合并现象的临界Reynolds数,其中二射流出现合并的临界Reynolds数与文献的数值模拟结果一致,三射流和四射流出现合并的临界Reynolds数则偏大,但更接近实验结果。     

低Reynolds数下单排方柱绕流尾迹涡型的LBM模拟

针对工程中遇到的周期柱体绕流问题,采用格子Boltzmann方法(LBM)对低Reynolds数下单排周期排列方柱的定常绕流进行数值模拟,详细分析了柱体后面的尾迹涡型随着Reynolds数的变化情况,并通过对不同Reynolds数下尾迹涡型结构的分析,得到了二射流、三射流和四射流发生合并现象的临界Reynolds数,其中二射流出现合并的临界Reynolds数与文献的数值模拟结果一致,三射流和四射流出现合并的临界Reynolds数则偏大,但更接近实验结果。     

自动网格体系在柱体绕流大涡模拟中的适用性评估

为了评估基于snappyHexMesh方法生成的自动网格体系在二维柱体绕流大涡模拟中的适用性,比较了该自动网格体系与人工网格体系对于Re为3 900圆柱绕流和Re为22 000方柱绕流的数值模拟结果。通过设置合理的计算域以及数值格式,采用snappyHexMesh自动网格以及人工网格的算例都表现出良好的数值稳定性。将不同网格体系的数值模拟结果与物理试验结果进行对比,结果表明,采用snappyHexMesh网格可以提高数值求解效率;圆柱绕流对网格体系的变化比较敏感,不同密度的snappyHexMesh网格会显著影响圆柱气动力特征以及尾流区域的流场结果;snappyHexMesh网格体系可以准确预测方柱绕流,在方柱绕流大涡模拟中具有相较于圆柱绕流更好的适用性。     

三维方管中柱体可压绕流的大涡模拟

该文利用大涡模拟,对可压缩流体绕经安装在方管底部的长方体和矩形体的绕流现象进行了三维数值模拟.模拟结果显示了流体绕经障碍物后各涡的形成和耗散过程. 分析了不同Re时柱体绕流流场的结构.发现长方体壁面上的各个涡在小雷诺数时基本稳定,在大雷诺数时涡容易脱落,流场呈现复杂的湍流结构.通过改变柱体障碍物的高度,得到了绕流流场在不同阻塞比下的结构变化,发现湍流现象随着阻塞比的增大而增强.     

用Lattice Boltzmann方法计算矩形柱的绕流问题

采用二维9速度Lattice Boltzmann模型, 数值模拟流体流过矩形截面柱体的绕流问题. 在边界处, 采用二阶精度的插值边界处理方法, 计算了流动的Strouhal数及柱体受到的升力和阻力系数, 给出了流场的流线和等涡线图. 使来流方向与矩形柱的长边方向平行, 计算结果表明, 改变矩形的长/宽比, 流场的Strouhal数随长/宽比呈线性变化.     

水沙流作用下粗糙度对圆柱体结构受力特性及冲蚀的影响

基于Fluent软件建立三维模型,采用SST k-ω湍流模型,对含沙量在0.05、0.5和5 kg/m~3,柱体表面粗糙度在0、0.1%D、0.3%D、0.5%D、0.8%D和1%D时单圆柱绕流的柱体的受力特性及冲蚀进行数值模拟,研究了不同含沙量水流作用下,粗糙度对圆柱的平均阻力系数、升力系数及冲蚀率的影响。结果表明:在同一含沙量的水流作用下,柱体的升力系数在粗糙度为0.5%D时达到最大值;当柱体表面粗糙度相同时,平均阻力系数受水沙流含沙量的影响较小,升力系数受含沙量的影响较大;在不同含沙量的水沙流作用下,圆柱体结构的壁面冲蚀率在粗糙度为0.3%D时达到最大值。     

13—bit格子气自动机模型对流场的模拟

13－bit格子气自动机模型是一种基于FHPⅡ模型基础上的新模型，为了验证其正确性，文中通过建立在该模型基础上的数值试验方法，对圆柱绕流、方柱绕流和多柱体绕流等典型流体流动，采用该模型模拟了它们的流场分布，与文献中用有限差分、有限元、边界元等方法的模拟结果相比较，发现13－bit格子气自动机模型能够较为真实、客观、详细的模拟流体流场；并进一步采用该模型模拟了焦炭多孔介质内流体流动，发现其能够便捷、清晰地模拟具有复杂几何边界条件的流场。     

结构网格下求解非规则区域流场的一种差分法

对于粘性不可压缩流场的计算，提出一种标识边界的差分方法，对不规则区域的流场边界做标记，应用SIMPLE算法在直角坐标系的结构网格下离散求解N-s方程；对圆柱绕流，不规则腔体流等问题进行数值模拟，取得了较好的效果。     

高雷诺数圆盘绕流尾迹特性的大涡模拟研究

采用大涡模拟方法对垂直于来流的圆盘(直径为40 mm,厚度为8 mm)后尾迹中的湍流特性进行了研究.流动雷诺数分别是1×10~4、1×10~5和2.5×10~5.发现当Re1×10~4时流场的平均速度、雷诺应力和阻力系数等的分布受雷诺数影响较小,圆盘绕流产生的阻力主要取决于圆盘前后的压力差.通过分析流场的频谱特性,研究高雷诺数条件下圆盘尾迹中的湍流结构及不稳定机制,发现3个无量纲特征频率St≈0.028,St≈0.138～0.146和St≈1.437,分别对应于近尾迹中的回流区沿轴向脉动、驻定涡旋脱落和Kelvin-Helmholtz不稳定这3种不稳定性机制.     

基于Micro-PIV的不同截面形状微柱群内部流场特性研究

采用显微粒子测速技术（Micro-PIV）对圆形、椭圆形及菱形等不同截面形状错排微柱群绕流流动进行研究,得到了不同雷诺数（Re）下微柱群内部的速度场、流线等绕流流场信息,分析了Re与截面形状对绕流流场结构的影响规律。研究结果表明,微柱体绕流过程中漩涡脱落相对于常规尺度具有一定的滞后性;圆形微柱体背风区最早发生流动分离,菱形、椭圆形次之;随着Re的增大,微柱体尾流区出现涡结构,回流长度逐渐增大,在三种截面形状微柱群绕流流动中圆形截面微柱群的回流长度和回流区域最大。     

圆角化3∶1二维矩形柱体风压分布的雷诺数效应

在低紊流度的均匀场中,研究了4种圆角率(0,5%,10%和15%)的3∶1二维矩形柱体模型的风压分布随雷诺数的变化规律.从模型周围气流绕流的角度解释了圆角处理的矩形柱体模型的雷诺数效应的机理,并分析了雷诺数对各模型的背风面中点的风压系数的影响.试验雷诺数的变化范围为1.1×105~6.8×105.结果表明,四种圆角率模型的风压分布都受雷诺数的影响,但圆角率为0和5%的模型受雷诺数影响较小,圆角率为10%和15%的模型受雷诺数影响明显.圆角处理措施对矩形柱体模型雷诺数效应的影响主要是通过影响分离剪切层在模型侧面前缘的形成及其在侧面后部区域的再附,进而影响模型的气动特性,使模型更易受雷诺数的影响.     

二维方柱绕流阻塞效应的大涡模拟

在均匀流条件下对阻塞比(R)分别为4.2%、10%、16.7%、20%和25%的二维方柱绕流进行了大涡模拟(LES)研究,对比了各工况下柱体的整体气动力和表面风压分布随阻塞比的变化规律,分析了阻塞比对柱体附近区域内流场特性和瞬时涡量的影响.研究表明,当阻塞比由4.2%增大到25%,柱体的平均阻力系数、脉动升力系数和Strouhal数分别增加了27.6%、43.6%和31%.随着阻塞比的增大,侧面及背风面负风压系数的均值绝对值以及脉动值均显著增加,柱体两侧附近流场特性也有明显的变化.在大阻塞比工况中,洞壁附近会生成二次旋涡,并与柱体脱落的旋涡相互掺混.     

用格子Boltzmann方法计算椭圆柱绕流的阻力

用格子Boltzmann方法模拟椭圆柱绕流, 研究椭圆柱形状对阻力的影响. 对圆柱绕流问题进行了数值模拟, 阻力系数的数值计算结果与相关文献数值相符. 计算了当Re=200, 椭圆柱纵轴长度不变、 横轴长度逐渐变大时几种不同形状的椭圆柱绕流, 并用插值方法处理了曲线边界, 用动量转换法计算了曲线边界受力. 计算得到了不同形状椭圆柱绕流的流线、 涡线以及阻力系数随横轴/纵轴长度比的变化趋势. 通过分析流线和涡线的变化, 给出了阻力变化的机理.     

输电塔钢管构件涡激振动数值模拟

用数值模拟方法对钢管构件涡激振动现象进行研究,分别进行了静止圆管绕流数值模拟以及弹簧支撑单自由度圆管绕流数值模拟.结果表明:静止圆管计算工况雷诺数介于20 000~35 000之间,升力系数幅值以及阻力系数均值的平均值分别为1.427和1.273,与前人试验结果较为吻合;涡街形成的决定性因素是物体后部两个分离剪切层的相互作用;发生涡激振动时,顺风向响应要远小于横风向响应;基于单自由度模型进行动网格分析,给出了最大位移比公式以及线性插值关系式,将二维数值模拟应用于三维钢管构件的涡振疲劳分析.     

用格子Boltzmann大涡模拟方法计算电磁力作用下的翼型绕流

利用格子Boltzmann大涡模拟(LBM-LES)方法,对较大雷诺数Re =2.4×105下翼型绕流的电磁控制进行数值研究.结果表明,LBM-LES方法计算过程简单,容易并行,适合处理该问题.     

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。     

曲线坐标下波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型研究

建立了曲线坐标系下的波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型,对不规则岸线地形下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究.首先基于曲线化抛物型缓坡方程建立了正交曲线坐标系下的近岸波浪传播数值模型;然后通过正交曲线变换建立了正交曲线坐标系下的近岸流数值模型;进而基于波浪辐射应力的概念,耦合上述数值模型,对Gourlay模型实验和Hamm模型实验中不规则岸线地形条件下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析;最后基于上述耦合数值模型对美国San Francisco海湾的Ocean Beach海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的近岸流进行了数值模拟研究.对比分析表明,本文数值结果与实验结果或其它学者所得数值结果基本一致,从而验证了本文数值模型的有效性.     

风对建筑物体绕流的数值模拟

利用有限分析法数值模拟了风对建筑物体的绕流，对高雷诺数问题引进了一个经验公式较好地克服了实际中的困难，对方形、圆形及两头尖等各种形状物体绕流的计算结果表明数值方法在准确模拟各种形状建筑物体的绕流流场方面是成功的。