数值模拟圆柱统流旋涡生成、分离及演化

本文应用有限差分方法求解涡量－流函数形式的Ｎ－Ｓ方程，数值模拟了圆柱瞬时起动后流动分离，旋涡生成、脱落以及随时间推进涡街产生和长期非定常演化过程，包括对称涡的生成，二次涡形成的α结构及卡门涡街等．本文方法效率较高，数值模拟结果与实验结果吻合较好，可推广到模拟其他复杂钝体在中等或高雷诺数下的非定常绕流问题．     

圆柱-翼型干涉噪声特性研究

圆柱-翼型干涉噪声主要是用来模拟类似涡扇静子,或者风机静子的脱落涡打到转子上所产生噪声的现象。圆柱的脱落涡随气流流动,对下游的翼型冲击,产生非定常表面载荷,带来强烈的噪声。在全消声室风洞,对三种不同尺寸圆柱的圆柱-翼型干涉噪声的特性进行了试验与仿真研究。圆柱的尺寸直径分别为10 mm、15 mm和20 mm,翼型为NACA 0012翼型;流场计算采用大涡模拟(LES),声场计算基于FW-H积分方程。对比实验与仿真可知,圆柱脱落涡是典型的周期性卡门涡街,翼面相互作用是产生噪声的主要原因;试验得到三种不同直径的圆柱-翼型干涉纯音噪声的斯特劳哈尔数为0.19左右,与卡门涡阶脱落涡的频率一致;噪声远场为偶极子指向性;随着圆柱尺寸的增大,噪声的总声压级增大;低频噪声源主要位于翼型前缘,高频噪声主要由圆柱脱落涡引起。     

仿生机器鱼自主游动的数值计算方法与机理

基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自主游动计算模型,对仿生金枪鱼模型从静止开始到稳定巡游的过程进行了模拟.计算结果表明:在巡游阶段前进速度的周期平均值非零,而侧向速度和艏摇角速度的周期平均值为零.鱼体前部始终产生阻力,鱼体后部在巡游阶段能够产生少量的推力,而尾鳍始终产生较大的推力.鱼体表面压力分布表明在尾鳍前缘的左右两侧,周期性地交替出现高压和低压区是尾鳍产生较大推力的原因.在加速阶段尾鳍的脱落涡强度大,一个周期脱落的两个涡相互挤压在一起;在巡游阶段鱼体产生的涡和尾鳍产生的涡融合在一起脱落到尾流中,形成反卡门涡街,使得尾鳍有效地吸收鱼体产生的涡中的能量,减少功率消耗.     

透平动叶顶部间隙流的端壁二次流结构研究

对不同动叶顶部间隙的Aachen一级半轴流透平内部流动进行了数值模拟，以二次速度矢量和周向平均气流角的分布为依据，分析了间隙流、间隙涡与动叶顶部通道涡掺混的方式及其对二次流结构的影响．结果表明：较大的间隙尺寸导致间隙涡较早产生；间隙涡在向下游发展的过程中强度减弱，但范围有所增加；较小的间隙或者在接近叶栅前缘区域，间隙流仅将通道涡整体推移，不破坏通道涡的完整性；间隙较大或在叶栅的高加载区域，间隙流将通道涡拆分成2个独立的涡区，并将这2个涡区分别向压力面和中叶展推移，而间隙涡本身则占据动叶顶部较大的区域．最后，给出了不同间隙下2种不同的端壁二次流结构．     

平面自由湍射流拟序结构的大涡模拟研究

对空间发展的平面不可压缩湍射流拟序结构的非定常演化过程进行了大涡模拟。采用标志物浓度等值线分布示踪平面射流气相流动 ,Reynolds数为 1130 0 ,模拟结果再现了平面射流中 Kelvin- Helm holtz不稳定性的发生以及展向大尺度涡的卷起、合并、破碎过程。捕获到了射流拟序结构剧烈相互作用的“偶极子”和“三极子”现象。在拟序结构的配对过程中 ,大尺度旋涡的尾迹混合形成了流向“发卡”型拟序涡结构。平面射流拟序结构的时空演化过程所呈现出的卡门涡街特征主要集中于初始段的后部和过渡段的前端。数值流场显示结果和染线法的实验结果吻合得很好     

考虑黏性及压缩效应的旋涡运动特性

采用扩散速度法处理黏性作用项的离散涡法,数值模拟了旋涡在黏性不可压流场中的运动;推导了可压缩流中的旋涡运动方程,对不可压缩流中的Biot-Savart方程进行了可压缩修正,进而用离散涡方法求解出非定常、不稳定、可压缩流场中的旋涡运动。分析了胀量及黏性扩散作用对旋涡运动的影响,通过大量长时间行为的数值试验得出了一系列结果。结果表明：为了真实地反映旋涡在实际流体中的运动规律,必须考虑黏性及压缩性的影响。     

矩形射流中的流向涡分布特性及作用

为研究矩形射流中的流向涡形态及其作用,对矩形射流流动过程进行了三维大涡模拟。计算结果表明在矩形射流的发展区中流向涡才开始逐渐增强,在射流中远场流向涡和展向涡在涡强度、前后涡间距等方面大致相当。与规则匀称的展向涡相比流向涡比较杂乱,在射流的横截面上分布很不均匀,旋向相反的流向涡比邻存在。分析结果表明通过流向涡的旋转运动中心射流和环境流体互相掺混,流体在横截面上不同流向涡之间的游走极大地强化了射流的混合过程。     

二维非定常有涡流动的数值模拟方法

为有效地模拟二维有分离现象的粘性流动,发展了求解涡量流函数方程的数值方法。对涡量输运方程的时间项运用四阶Runge-Kutta法离散,从而将方程分解为4个计算步分别求解。在每一计算步对方程进行Steger-Warming近似因式分解,从而使涡量的计算在空间的两个方向上分别进行。对流项采用Chakravaythy-Oscher总变差减少(TVD)格式离散。流函数的Poisson方程运用Tschebyscheff SLOR方法交替方向迭代求解。运用该方法对突然起动圆柱和高雷诺数时弯曲薄翼的非定常有涡流动进行了数值模拟,并将计算结果与其它方法的计算结果和试验结果进行了对比,结果表明本方法具有精度高、数值稳定性好和计算效率高的优点。     

鱼类游动的N—S方程数值模拟

通过求解二维守恒型非定常流动N-S方程，对鱼类运动时鱼体周围二维非定常流场进行数值模拟，数值计算空间采用有限体积离散，时间推进格式采用Jameson的双时间法。描述了各状态鱼体模型、计算网格的生成方法和数值计算方法。结合计算结果对鱼类游动时反卡门涡街的形成和鱼体推力的产生机理进行了分析，并对不同斯特哈尔数对推力的影响进行了研究。结果表明：非定常N-S方程数值方法能够正确模拟鱼体运动时的流场和反卡门涡街的形成；产生明显推力的St数的范围是0．23～0．53，而且在0．35处推力达到最大。     

高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟

使用表面涡法研究高雷诺数下不同排列方式双圆柱绕流的流动状态．计算了双圆柱在并列、级列的情况下的各种流动结构,涡街的变化及作用在圆柱上的受力情况．计算结果清楚地描述了双圆柱绕流复杂的流动状况,与实验显示的流动状况十分相似,斯特罗哈数与阻力系数均与实验结果相符．     

离散涡法模拟建筑物绕流流场

应用离散涡数值方法对高雷诺数下建筑物绕流流场进行了数值模拟，得到了不同相对位置、相对距离的建筑物在不同来流方向的分离流场和涡量分布，总结出受建筑物影响的流函数变化规律，取得了较为合理和可靠的计算结果，说明离散涡方法是研究建筑物的绕流问题的有效手段     

二维浅水流动的离散涡方法

根据二维浅水流动中旋涡既可产生于流动边界层，也可在主流场中自生自灭的特点，建立起Eulerian-Lagrangian框架下的二维浅水流动离散涡方法；利用该方法数值仿真了高雷诺数下的二维浅水方柱绕流，得到了流动的速度场、涡谱，计算结果中明显可见流动分离、旋涡以及旋涡随时间的发展演化，即模拟出流动所具有的非定常不稳定等非线性特征。     

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．     

改进的格子涡方法及其在混合层模拟中的应用

在格子涡方法中 ,用网格节点处的流场速度通过插值确定离散涡元速度时 ,往往会导致很大误差 ,为此 ,给出了一种改进的格子涡方法。在该方法中 ,每个时间步开始时 ,离散涡元被置于网格节点上 ,它们以网格节点处的流场速度运动 ,而在该时间步结束时 ,将偏离网格节点位置的离散涡元用涡量再分配的方法重新置于网格节点上 ,这样离散涡元总是以网格节点处的流场速度运动 ,避免了插值及其所导致的误差。对混合层流动的模拟结果表明对格子涡方法的改进是成功的。     

大气压下介质阻挡放电等离子体诱导起始涡的实验研究

对介质阻挡放电等离子体激励器进行了参数化分析,考察了诱导速度和功率随信号波形、激励电压、信号频率、电极间距等参数变化的规律,同时采用流场显示方法和PIV技术研究等离子体在静止流场中诱导的涡系结构生长和演化过程.结果表明,等离子体通过诱导产生的起始涡存在3种主要的涡系结构,即裸露电极下游的主涡、裸露电极上游的反向涡以及主涡侧下方的二次诱导涡.进一步分析了主涡和反向涡的产生和发展过程,通过和激励器放电电流波形及放电图像的对比分析,揭示了起始涡的产生机理,同时也证实了介质阻挡放电等离子体产生诱导气流机理的正确性.     

有壁均匀切交流中马蹄涡发展的数值模拟

从Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程出发．应用渐近衔接方法研究了马蹄涡在均匀切变流中的发展。在外层，用涡方法模拟了上抛和下扫两种马蹄涡的发展过程，初步地探讨了有壁切交流中马蹄涡的相干性。例如发现两种渴都向基本流的第一主变形率方向偏转，不断受到拉伸而增强等等。在内层，通过直接求解Ｓｔｏｋｅｓ方程而得到流场的发展过程，发现在外层扰动作用下，内层有新的涡产生并且随其厚度增加而缓缓升起。数值计算的结果与已有的流场显示结果相一致，从而说明涡动力学方法在研究切变层的拟序结构中是有效的。     

绕斜锥头型回转体分离涡空化特性分析

为研究空化的发生机理,对绕斜锥头型回转体分离涡空化特性进行了数值模拟,结果表明,当水流过斜锥头型回转体时,在其前部几何拐点处形成中心型的分离涡.研究中,将其简化为二维椭圆涡,并基于边界层和涡流动理论对涡内的流线和压力分布进行理论分析,获得了不同斜锥角下分离涡尺度与初生空化的关系,并进一步对绕斜锥头型回转体空泡内流场结构和空泡几何特征变化规律进行了分析.      

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)