基于大涡模拟的螺旋桨梢涡数值分析

为研究螺旋桨的梢涡脱落规律,基于STAR-CCM+软件平台,采用重叠网格技术和大涡模拟方法,通过求解纳维-斯托克斯方程,对螺旋桨的速度场和涡量场进行了详细的研究,并且比较了不同进速系数下螺旋桨梢涡形态的差别.数值研究结果表明:基于正交网格的大涡模拟能够较好地模拟螺旋桨的梢涡形态,低进速系数下螺旋桨的梢涡强度增大并且显得比较紊乱;高进速系数下螺旋桨梢涡则呈现出比较规则的螺旋涡管形状.     

大涡模拟与大气边界层研究--30年回顾与展望

对大涡模拟(LES)技术应用于大气边界层(PBL)研究30年来的发展历程、应用前景及发展趋势作了简要评述,内容包括:LES网格体积平均方程组,次网格闭合方案(K闭合、湍能(TKE)闭合、二阶闭合、动力学闭合、随机闭合、各向异性TKE闭合和非线性闭合);均匀、非均匀下垫面对流边界层(CBL)的大涡模拟,稳定边界层(SBL)、实际PBL的大涡模拟,森林下垫面流场和建筑物周围流场的大涡模拟,污染扩散的大涡模拟,LES-化学模式,对流层大涡模拟,大涡模拟对模拟域、网格及大涡时间尺度的敏感性,适用于LES和中尺度模拟的湍流方案研究等.提出了LES需要进一步研究的问题,如次网格(SGS)闭合方案,物理过程参数化方案,高分辨卫星和Doppler雷达资料的使用,与中尺度模式的连接与嵌套等;以及可能的应用领域,如大气湍流发展及湍涡相互作用,复杂地形流场及城市边界层模拟,污染扩散模拟,LES-大气化学模拟,中尺度气象模拟,数值天气预报及大气环流模式中高分辨边界层方案(大涡机制)的引入.希望能为大气边界层研究与应用中发挥LES模拟效能的成功实施起到一定的推动作用.     

湍流横向射流的大涡模拟及其涡结构特性

采用大涡模拟方法数值模拟了流向和展向椭圆喷嘴的湍流横向射流, 重点研究了其中旋涡结构的产生、发展等动力学演化过程. 结果表明文献中所报道的横向射流基本涡结构, 如反向旋转涡对、前缘涡、后缘涡、悬涡、肾涡、反肾涡等等是分别对应于新发现的横向射流中的基本涡结构——起始于喷嘴的三维拉伸涡环的局部结构, 因此, 在湍流横向射流中真正占主导作用的是拉伸、扭曲、沿展向摆动和沿流向扭动的三维涡环. 研究还发现: 涡环的脱落频率比流场信号分析得到的脉动频率小得多.     

基于谐波合成法的大涡模拟脉动风场生成方法研究

为准确模拟大涡模拟入口处的脉动信息,在充分考虑脉动风场的功率谱、相关性、风剖面等参数前提下,运用谐波合成方法生成了满足目标风场湍流特性的随机序列数,通过对FLUENT软件平台进行二次开发,将生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界,从而实现了大涡模拟的脉动输入.基于风洞试验数据,分别建立了两种模拟脉动风场的数值模型,一为没有任何障碍物的空风洞,运用谐波合成方法生成的随机序列数作为入口边界来生成脉动信息;二为与真实风洞一致的尖劈粗糙元风洞,采用平均风作为入口边界,利用尖劈粗糙元对风场的扰动来产生脉动信息.通过对比两种数值模型发现:基于谐波合成方法生成的脉动风场可作为大涡模拟的入口边界,可为大涡模拟脉动入口研究提供参考.     

基于动力拟序涡模型的水波三维大涡模拟

利用大涡模拟理论数值模拟了规则波和不规则波的传播过程,采用动力拟序涡黏性亚格子应力模型进行波高及速度场的模拟.计算结果表明,模型对水波的波高及由波产生的流体速度分布模拟结果与解析值符合良好,且精度较高.对比分析了人工海绵层及Sommerfeld辐射型耦合边界条件与仅采用Sommerfeld辐射型边界条件对水波数值模拟精度的影响.结果表明动力拟序涡粘性模型可以准确地模拟水波传播特性.     

典型带挑臂钢箱主梁涡激力模型研究

为研究带挑臂钢箱主梁的涡激力模型,研究中以一座主跨为160 m的斜拉桥为工程背景,首先采用双向流固耦合的数值模拟方法对带挑臂钢箱主梁的涡振全过程进行了数值模拟分析,计算出主梁断面在不同风速下的涡振幅值,并与风洞试验结果进行对比 . 然后,基于已验证的数值模拟结果提取了主梁的涡激力时程,并以重构的涡激力值与目标值的残差大...     

大涡模拟二维平面尾迹湍流拟序结构

首先采用大涡模拟方法对二维平面尾迹流进行了数值模拟,分别分析了整个流场的流动特点和近壁处展向大涡结构的形成、发展、脱落和破碎过程.然后定量计算了流场下游不同断面上流向时均速度分布、流向时均湍流强度分布以及流向相均速度的分布情况,并与Yang等最近所做的实验进行了对比分析.数值结果表明大涡模拟方法可以较好地模拟二维平面尾迹流.     

湍流横向射流大涡模拟及大尺度结构的涡环模型

采用大涡模拟方法数值模拟了流向椭圆喷嘴的湍流横向射流，重点研究其旋涡结构的产生、发展等动力学演化过程．结果表明：文献中所报道的横向射流基本涡结构，如反向旋转涡对、前缘涡、后缘涡、悬涡、肾涡、反肾涡等并非独立的物理实体，而是分别对应于新发现的横向射流基本涡结构——起始于喷嘴的三维拉伸涡环的局部结构．     

基于螺旋加密网格的螺旋桨梢涡空化数值模拟

基于计算流体力学(CFD)Star-CCM+软件,以船用E779A螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟方法和Schnerr-Sauer空化模型模拟螺旋桨尖端梢涡空化.在螺旋桨可能发生尖端梢涡空化的位置上使用螺旋管为体积控制,形成螺旋加密网格,对E779A螺旋桨的梢涡空化进行更为精细的数值模拟.实验和数值模拟的水动力结果表明:本文方法具有良好的数值预报精度,推力、扭矩系数和敞水效率较为相符.在此基础上进行基于螺旋加密网格的梢涡空化数值模拟,通过模拟结果可以看出:螺旋加密区的流动得到了更为精细的模拟,并清晰展示了加密梢涡的速度和压力分布.数值和实验的空化结果比较表明:本文方法能够较好地预测螺旋桨的空化,尤其是梢涡空化的形态和规律.     

热力羽流的大涡模拟

采用大涡模拟的方法对两无穷大平板间受热形成的羽流进行了数值模拟.控制方程为三维不可压N-S方程组,数值格式采用了高精度的伪谱方法,亚格子模型则采用了TNS模型.首先对槽道流进行了模拟,通过比较大涡模拟和直接数值模拟的结果对此方法进行了验证.随后数值模拟了热力羽流的输运过程,分析讨论了相关的温度场和速度场,并比较了不同Rayleigh数对流动特性的影响.结果表明当Rayleigh数比较大时,热浮力对流动的影响比较大,形成了比较复杂的流动结构.     

基于动态双向耦合的高速汽车侧风稳定性控制研究

针对高速汽车在侧风环境下的气动稳定性问题,基于大涡模拟（LES）及五自由度车辆模型,建立了汽车空气动力学与汽车动力学的动态双向耦合分析模型.考虑了主动前轮转向的主动控制（AFS）对高速车辆侧风稳定性的影响;采用调整车辆质心位置的方法验证了动态双向耦合模型的鲁棒性.对在某轿车在有、无驾驶员及有、无AFS控制下的运动及流场特性进行了对比分析.研究结果表明:在侧风作用下车辆的侧向速度及横摆角速度对高速车辆的气动稳定性有着重要影响;在无驾驶员条件下,有AFS控制的车辆仍能回到正常行驶路线,而无AFS控制的车辆无法回到正常行驶路线;在有驾驶员条件下,无AFS控制车辆最大侧向位移为1.1 m,有AFS控制车辆最大侧向位移0.47 m,表明AFS控制有助于提高车辆侧风稳定性.      

定常喷/吸流动主动控制方法减阻研究

针对Ahmed类车体,在车身斜面选定位置处设置控制槽,采用证明为有效的大涡模拟数值方法,研究喷/吸流动主动控制方法的气动减阻机理及效果.基于流场数据分析发现喷射控制致使车体斜面上流动大分离发生,拖曳涡对得以消除,但尾迹区尺度增大,气动阻力上升;抽吸控制方法抑制和消除展向涡结构的产生及发展,但拖曳涡对未受显著影响,气动阻力下降.     

车身后部结构气动性能自动优化及其工程应用

车身后部结构特征对整车的空气动力学性能有重要的影响。为研究车身后部各结构变化对轿车尾部流场的影响规律及各设计变量之间的相关性,并在此基础上对车身后部结构参数进行优化,以提高轿车的空气动力学性能。通过运用网格自适应方法和集成仿真软件STAR CCM+进行试验设计;并建立近似模型探索以整车气动性能为目标的车身后部各结构参数的最佳组合。结果表明:与传统车身优化方法相比,运用网格自适应方法、试验设计方法和近似模型相结合进行车身优化,大幅度减少了车身优化的时间,且优化效果良好。优化车身后部结构参数,能明显改善尾部流场结构,提高整车的气动特性。     

基于主动射流的汽车后视镜区域气动噪声控制

使用大涡模拟和声扰动方程求解后视镜区域气动噪声的非定常流场和声场.通过比较前侧窗19个测点能量平均总压力级的仿真和试验结果发现,两者仅相差2.3 dB(A),它们频谱变化趋势相同,量值差异较小.在此基础上,建立了主动射流模型,并改变射流位置、方向和速度等参数,采用子域仿真方法得到最优射流方案.将最优射流方案置于整车气动噪声仿真模型中,通过与原始模型对比发现,主动射流增大了后视镜尾部的时均压力,减小了压力梯度,降低了后视镜区域涡流强度,使整车气动阻力系数减少0.002,前侧窗网格节点能量平均的总声功率级降低1.8 dB(A),湍流脉动总功率级降低0.3 dB(A).     

高速列车转向架部位气动噪声数值模拟及降噪研究

基于Lighthill声学理论,采用三维、LES大涡模拟和FW-H声学模型对高速列车转向架部位气动噪声进行数值模拟,并提出降噪改进意见.研究结果表明:转向架部位气动噪声在很宽的频带内存在,无明显的主频率,是一种宽频噪声;各监测点气动噪声频谱在低频时幅值较大,随着频率的升高,幅值下降,1/3倍频程A声压级主要集中在315～1 250 Hz频率范围内;当来流速度一定时,距离气动噪声源越远,声压级幅值和总声压级越小;在列车转向架部位设置裙板后,运行速度为300 km/h时,车外声压级幅值较无裙板时有所减小,平均降幅约为8％,总声压级平均降幅1.3 dBA;适当增加裙板面积后,声压级幅值平均降幅达到12％,总声压级平均降幅2.08dBA,降噪效果较明显.     

孔型及倾斜角对穿孔叶片气动和噪声特性的影响

针对叶片尾缘穿孔对气动及噪声特性的影响,基于NACA65019叶片,在雷诺数Re=2×105条件下,采用大涡模拟和FW-H方法研究孔型和倾斜角对叶片气动特性、绕流流场和噪声特性的影响规律,并选择降噪效果较好的穿孔模型应用到小型轴流风机上,对穿孔风机进行试验。结果表明：当穿孔倾斜角为30°时,在一定攻角范围内(α≤10°),圆柱型穿孔叶片气动性能最接近原始叶片,并且该穿孔叶片总声压级降低可达9 dB。这是由于穿孔叶片有效抑制了涡量沿叶片表面法向的发展,加速了尾缘涡沿流动方向的能量衰减,且穿孔形成的射流使大尺度的涡破碎形成小尺度的涡,衰减波动力,降低了气动噪声。     

空气动力学仿真在摩托车造型开发中的应用

摩托车空气动力学特性对摩托车的动力性、经济性和操作稳定性有直接影响。由于国内没有摩托车专用风洞,道路滑行试验无法适用于所有车型,所以在一款新型巡航车造型开发阶段,采用空气动力学仿真方法分析实车模型的空气动力学特性,在此基础上指导多个部件优化设计,并对优化后提供的两个挡风板安装方案分别进行了整车仿真分析。仿真结果显示,优化后的两方案整车阻力系数Cd值均降低,两挡风板安装方案的空气动力学性能对比为进一步选型提供了参考依据。     

基于自由变形技术的Ahmed模型气动减阻优化

针对目前汽车气动减阻中基于工程师经验的试凑法所存在的盲目性和低效率,以及气动优化设计中车身曲面难于参数化等问题,将自由变形方法引入汽车气动减阻优化设计中,为减阻优化设计提供一种快速、有效的参数化方法.文中以外形简单的Ahmed模型为研究对象,根据正交试验设计构建样本空间,采用FFD方法对各样本点模型进行参数化,通过CFD仿真获得各样本的气动阻力系数;建立3种常用的近似模型,选择可信度最高的RBF模型构建近似模型,采用多岛遗传算法求解近似模型的最优值,根据优化结果重新构建最优模型并采用CFD计算其气动阻力系数.计算结果显示优化后的Ahmed模型气动阻力系数减少了51.96%.      

基于CFD的汽车外流场数值模拟

CFD(计算流体力学)软件由于其经济性在汽车动力学上得到了广泛的应用,其方法对于预测和改进汽车的气动性能,以及对于指导汽车的产品设计都具有重要的意义。利用ANSYS ICEM对汽车外流场进行二维建模并对其进行网格划分,基于ANSYS FLUENT对外流场进行数值模拟,得出其压力云图、速度云图和速度矢量图。从直观上对汽车外流场的气流情况有了了解,通过数值模拟的数据对汽车外流场的实际情况进行分析,为优化汽车的气动性能提供了理论依据。     

Large Eddy Simulation of Particle-Laden Turbulent Flow over a Backward-Facing Step

Particle diffusion in large eddy structures with various Stokes number was analyzed numerically for the two-dimensional gas-particle turbulent flow over a backward-facing step. The continuous phase simulation was analyzed using the large eddy simulation (LES) method while the particle phase was analyzed by the Lagrangian method. The spatial and temporal results were used to analyze the evolution of the large eddy coherent structures and the vortex-particle interactions. The effect of the particle Stokes number on the instantaneous particle concentration distributions was also discussed. The simulations of the single-phase flow reproduced the character of the separation and reattachment flow and the essential features of the coherent structures. Numerous and complex vortex structures appeared at the high Reynolds number. Furthermore, the simulation shows that the Stokes number plays an important role in the particle dispersion and the instantaneous particle distribution. The continuous phase time-averaged results and the particle phase time-averaged results obtained from the LES analysis agree well with previous experimental data.