匀动螺旋状集中涡的流函数解析表达及其证明

旨在推导在圆柱直管中作均匀运动的右旋单螺旋状集中涡管诱导无粘流场流函数的解析表达式，并将结果回代到涡与流函数的微分方程中，证明这一解析解的正确性．结果显示：涡管流函数是时间的周期函数，并被表征为一系列在涡核内均匀分布螺旋涡丝流函数的叠加．当螺旋涡管沿自身轴线移动一个节距，同时绕自身轴线旋转一圈时，螺旋涡管诱导的流场退化为定常场．若令圆柱直管半径趋于无穷大，则获得在无穷大域中作均匀运动的三维螺旋状圆柱集中涡管的流函数．     

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.     

涡方法数值模拟高雷诺数圆柱绕流

圆柱绕流问题是二维物体粘性绕流的基本问题.二维N-S方程的各种差分求解格式往往难以用来实际计算高雷诺数流动问题。80年代中期以来,Stansby等发展了70年代初Chorin提出的随机点涡法,用网格涡方法计算点涡的对流速度,大大减小了计算量,笔者采用Stansby等发展了的随机点涡法,对雷诺数2000的圆柱绕流进行了数值模拟。     

圆柱尾迹中颗粒运动的直接数值模拟研究

文中首先对圆柱尾迹拟序结构进行直接数值模拟,得到高精度流场后对圆柱尾迹中的运动颗粒进行研究.通过研究不同颗粒St数,流场Reynolds数对颗粒扩散运动的影响来刻画圆柱尾迹中颗粒运动的物理机理.研究表明,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在圆柱尾迹中的扩散机理主要是决定于吸力作用.     

圆柱体涡激运动的模型试验与数值模拟研究

为研究Spar等圆柱体海洋结构物涡激运动响应,进行圆柱体静水拖曳模型试验与数值模拟研究,测试不同来流速度下六自由度运动,分析圆柱体运动幅值、频率、斯特劳哈尔数和阻力系数等变化特性.研究结果表明:圆柱体运动均方根幅值随着约化速度增加至峰值,然后保持相对稳定;在锁定区域内,横向运动频率锁定在1.1倍固有频率,在锁定区域外,横向运动频率没有跳回固定圆柱泄涡频率而是保持持续增加;圆柱艏摇振幅随约化速度呈波动增加,艏摇频率近似等于同约化速度下的横向振动频率;圆柱阻力系数先缓慢增加,当约化速度大于6.2时,阻力系数保持在2.2左右;初始分支尾涡呈现2S模式,上端分支呈现出2P模式;大涡数值模拟对圆柱体涡激运动的幅值、频率和阻力系数等均有较好的模拟结果.     

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．     

模拟圆柱涡致振动问题的重叠网格法

使用重叠网格法求解二维不可压N—S方程，数值模拟了雷诺数在90—150之间的圆柱涡致振动。N—S方程对流项采用三阶迎风格式，扩散项使用四阶中心紧致格式离散，圆柱计算网格随圆柱一起运动，采用运动的非惯性参照系下的控制方程，振动控制方程采用四阶龙枷库塔法求解。计算成功地捕捉到了“拍”现象和“锁定”现象，并给出在不同折合来流速度下圆柱振幅的实验值和数值模拟结果的对比，计算结果与实验值基本吻合。     

气泡在水中的之字形与螺旋上升轨迹机理研究

为了深入研究气泡在水中自由上升轨迹为之字形或螺旋形的运动机理，通过实验观察气泡上升运动过程及形状变化，从宏观受力的角度，将气泡路径和尾涡耦合起来，从两个正交角度进行拍摄，获得了气泡三维运动轨迹，分析了其运动波动特征，从浮力和尾涡牵引力的动态平衡解释了气泡之字形运动的机理。结果表明，之字形运动是由于气泡尾部涡的脱落及边缘负压大小的变化导致的，具体形成之字形还是螺旋形轨迹取决于低压点转移路径——沿经线还是纬线。对于扁平气泡，低压点沿经线转移，形成之字形轨迹；对于球度较圆气泡，低压点沿纬线转移，从而形成螺旋形运动轨迹。螺旋轨迹较之字形轨迹上升速度更快，振动频率更低。     

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。     

圆柱绕流远场涡对的数值模拟

基于离散涡方法求得非定常、不稳定流场,数值模拟了三种不同时刻高雷诺数下圆柱绕流结构的发展,从流谱图、等涡量线图和涡谱图可以清晰地看出从近场的初生卡门涡街,过渡到远场的二次涡街的过程,计算结果发现：远场离散涡有形成二个涡的涡对及三个涡的涡对的趋势,计算结果说明了流体运动中涡对结构的本质：由于来流是均匀的,没有加入任何拔动,当流体流过钝体时产生具有剧烈分离的不稳定流动,因此在远场形成的二次涡对及卡门涡     

质量比对二自由度圆柱涡激振动影响的计算研究

利用Fluent平台的用户自定义程序(UDF)以及动网格模型,实现圆柱运动方程的一种迭代求解算法,对二自由度弹性支承圆柱体在一定约化速度下的涡激响应进行数值模拟;探讨不同质量比对涡激响应升力的影响。研究表明:采用的迭代求解算法能对弹性支承圆柱涡激振动做出合理预测;质量比对涡激响应的升力影响显著,不仅低质量比圆柱产生的振幅更大,低质量比较高质量比能产生更大的升力系数,且升力相对横向位移的"相位突跳"现象对应的约化来流速度U*更大;圆柱运动轨迹从最初的弧型转变至"8"字型,而后"8"字型逐渐消失并转变为水滴形。     

近壁圆柱绕流积沙线的形成机理研究

应用粒子图像测速(PIV)系统进行近壁圆柱绕流实验,探讨壁面积沙现象的机理.分别在两个动量损失厚度雷诺数1 092和796下,对两个不同直径的圆柱,取间隙比(圆柱与壁面间的距离与圆柱直径之比)0到1.5中的12个值进行实验,总结了不同情况下积沙线的形成特点.研究结果表明:积沙线形成的可能原因是由于圆柱对平板壁面边界层的影响,使得边界层流动在圆柱下游一到两倍圆柱直径的平板壁面处发生壁面分离,在分离区域流体速度减小,并且产生附着涡,流体运动挟带到此处的粒子速度减小,发生沉积而形成.     

串列双圆柱绕流问题数值模拟的多尺度分析

运用有限体积法,对串列放置的双圆柱二维不可压缩流动进行了直接数值计算.在分析Strouhal数及升阻力系数等积分量的基础上,本文从流动多尺度层面研究了流场分布及涡结构.通过对速度场的流动显示和频谱分析,确定了涡脱落的多个频率,以及分别受上游圆柱和下游圆柱边界层扰动形成的多尺度涡的相互作用,并且发现由于多尺度涡的相互作用形成了更小尺度涡的过程及机理.最后,进一步将这些涡结构与流场模态对应起来,使得流场结构更加清晰地展现出来.     

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。     

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。     

激波诱导圆柱运动数值模拟

该文采用基于含有运动边界自适应非结构网格点的显式有限体积方法求解Euler方程，提出了一种运动边界的数值处理方法，对激波诱导的圆柱运动进行了数值模拟。由于物体的运动，物体边界附近的网格将发生变形。对运动边界附近严重变形的网格采用局部网格重新生成的方法进行处理。采用HLLC方法来处理运动边界问题，计算并比较了气流流过静止圆柱和圆柱在静止流场中运动2种情形。结果表明，应用HLLC方法处理运动边界是可行的。     

二维浅水流动的涡运动学特性及动力学特征

建立了二维浅水流动的旋涡诱导速度公式，在已知旋涡场和胀量场时，由该表达式可确定流动速度场，对比分析了二维浅水流动中的涡运动与可压缩流动中涡运动的异同点。     

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.     

涡发生器作用下圆柱涡激振动特性的试验研究

采用三角形涡发生器,选取不同的发生器构型、风偏角及风攻角进行风洞试验.结果表明:涡发生器能够缩短圆柱涡激振动的锁定区间,降低涡激振动的振幅.风偏角和风攻角的选取对控制效果有较大影响,当风攻角为70°时,控制效果最好.即使涡发生器设置在分离点之前距离较远处,也能对边界层起到较好的控制作用.涡发生器推迟了圆柱表面边界层的分离,对流场三维特性的影响表现在降低了圆柱表面风压展向相关性.     

圆柱两自由度涡激振动的数值模拟研究

利用自编制的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的数值模拟程序,计算了在低雷诺数Re=100条件下圆柱的两自由度涡激振动,涡激振动系统的折减阻尼比M*ε=0.020 8.结果表明,随着折减风速的增加,振动系统依次经历以流向涡激振动和以横向涡激振动为主导的两个锁定区域.结合笔者以前关于圆柱单自由度横向涡激振动的研究工作,考察了流向自由度对横向涡激振动的影响.结果表明,在低雷诺数和低折减阻尼条件下,流向自由度对横向自由度的涡激振动基本没有影响,从而验证了已有的基于实验研究的结论.