静止方柱和圆柱绕流的二维数值分析

运用流体计算软件CFX模拟了静止方柱和圆柱在不同雷诺数条件下（层流区、亚临界区、超临界区）的绕流问题.采用层流和SST湍流模型,基于二维纳维斯-斯托克斯方程（N-S方程）,计算得到了相应的绕流参数：斯托罗哈数St和阻力系数Cd.将绕流参数与现有文献的绕流结果进行比较,验证了该数值模拟方法的正确性.分析了雷诺数Re对绕流参数的影响,获得了方柱和圆柱的St、Cd随Re的变化规律.通过对比方柱和圆柱的绕流参数,发现较大雷诺数时方柱的斯托罗哈数远低于圆柱的斯托罗哈数,但同时其阻力系数却高于圆柱的阻力系数,而在圆柱绕流中明显存在的阻力危机现象在方柱绕流中并不明显.     

雷诺数对不同圆角率3∶1二维矩形柱体气动力的影响

在低紊流度的均匀流场中对4种圆角率(R/D=0,5%,10%,15%)的3∶1二维矩形柱体模型进行了刚性模型测压试验.试验雷诺数的变化范围为1.1×105~6.8×105,通过风压时程积分的方法获得了模型的气动力系数时程.研究了4个模型的气动力系数及其功率谱随雷诺数的变化规律.研究表明,圆角率为R/D=0和5%的模型的平均阻力系数随雷诺数的增大而增大,而圆角率为10%和15%的模型的平均阻力系数、均方根阻力系数和均方根升力系数随雷诺数地增大出现了明显地跳跃.圆角率为R/D=0和5%的模型的气动力系数功率谱曲线随雷诺数的变化较小,但圆角率为10%和15%的模型的气动力系数功率谱曲线呈现了明显的雷诺数效应.此外,3∶1二维矩形柱体模型的Strouhal数随着圆角率的增大而增大.     

圆柱绕流的三维数值模拟

利用计算流体力学软件CFX－4,对粘性不可压缩流体的圆柱绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和SIMPLE计算程式,利用不可压缩Navier-Stokes方程,模拟雷诺数在亚临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性。为克服数值模拟高雷诺数时的数值不稳定性,计算中采用了QUICK迎风格式,其对流项为三阶精度,其余项如扩散项等为二阶精度,圆柱两端边界采用周期性边界条件。计算结果表明,高雷诺数时圆柱周围的流动具有明显的三维特性,且沿柱长方向不同断面的升力和阻力系数并不相同。同时,对圆柱绕流进行了二维数值模拟,并与三维数值结果进行比较,发现三维模拟的升力和阻力系数均小于二维模拟。     

二维矩形截面柱体气动力系数雷诺数效应

在TJ-2风洞中,测量了5种截面宽厚比(B/D为2.0,2.5,3.0,3.5和4.0)的二维矩形截面柱体的表面风压时程,雷诺数(Re)的变化范围为1.1×105~6.8×105,然后通过风压时程积分的方法获得了模型的气动力系数时程.研究了各模型气动力系数的雷诺数效应,分析了模型的平均阻力系数随截面宽厚比的变化规律,并与以往的研究成果进行了对比,最后分析了各模型的气动力系数功率谱随雷诺数的变化规律.研究表明,宽厚比2≤B/D≤4的二维矩形截面柱体的气动特性受雷诺数的影响,且随着截面宽厚比的增大,二维矩形截面柱体模型的气动特性对雷诺数越来越敏感.尾流区的旋涡脱落对模型顺风向脉动风荷载有一定程度的贡献,但横风向升力主要来源于尾流的漩涡脱落.     

串列圆柱在高雷诺数时动态响应的实验研究

本文在雷诺数Re为4.19×10~4～5.21×10~5范围中实验测定了串列双圆柱在均匀流场中的动态响应,两柱中心距与圆柱直径的比值L/D=2.5,3.0,4.0,4.56和5.02.实验结果表明,在Re数的临界区中圆柱流向和横向振动谐同变化,横向振幅比Re的亚临界区中的对应值几乎小一个量级,另外下游柱振动明显受上游柱层流科振的干扰,而且其横向振幅比上游柱大.     

旋转圆柱层流绕流出现二次不稳定现象的数值模拟

采用数值模拟方法,计算了旋转圆柱在层流状态下流场随雷诺数和转速的变化.针对旋转圆柱在均匀流中引起的涡脱落以及二次不稳定现象,进行了分析.选取雷诺数为Re=60,80,100,130,160,240时,将圆柱的转速一直增大,直到流场第二次达到稳定状态.比较了圆柱的旋转在流场达到第一次及第二次不稳定状态时对其表面的气动力、涡量以及周围流场影响的不同.计算结果表明,低转速下,流场出现初次不稳定状态时,雷诺数为Re=60,80,100,130,160,240,所对应的临界转速比分别为α=1.40,1.70,1.80,1.85,1.90,1.95;随着转速的升高,流场再次出现不稳定状态,所对应的转速比区间分别为5.1< α < 5.6,4.9< α < 5.4,4.6< α < 5.2,4.4< α < 5.0,4.3< α < 4.9,4.2< α < 4.7.      

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.     

基于刚性节段模型风洞试验的输电导线阻力系数研究

为了研究多分裂导线静力风荷载,进行了原尺寸刚性节段模型测力风洞试验,计算得到了多种直径导线阻力系数,并分析了包括雷诺数效应、屏蔽效应等因素对其结果的影响.研究结果表明,导线阻力系数试验结果较规范取值小,且由于导线表面粗糙度及紊流度的增加,会使其临界区雷诺数范围提前,尽管导线雷诺数处于名义的亚临界区域,其阻力系数依然随雷诺数变化比较敏感.对于多分裂导线而言,由于上游导线的遮挡干扰,导线整体阻力系数有所降低,必须考虑这种屏蔽效应的影响.拟合得到了考虑雷诺数效应以及屏蔽效应在内的输电导线阻力系数经验公式,为输电导线静力风荷载的计算提供一定的参考.     

基于LES的圆柱尾流漩涡特性分析

为研究大涡模拟(LES)方法在圆柱绕流和模拟大尺度和小尺度波动的适用性,采用Smagorinsky-Lilly模型对亚临界区7种雷诺数(Re)情况的圆柱绕流进行数值模拟,计算出其阻力系数(Cd)和Strouhal数(St),并针对Re=3 900情况进行深入分析,给出其漩涡脱落的过程和速度的功率谱曲线.研究结果表明:计算所得Cd和St均与以往实验值符合较好,能较好模拟圆柱绕流尾涡周期性脱落过程;采用LES方法不仅能精准地捕捉到圆柱绕流漩涡脱落的无量纲频率0.215,而且能有效反映出圆柱下游回流区长度在大时间尺度上的周期性变化所对应的频率0.006 15,这与实验值和直接模拟(DNS)所得频率相符合;对于小尺度的Kelvin-Helmholtz不稳定性,虽能捕捉到波动,其频率为0.641,但与直接模拟结果和实验所得公式的预测结果有一定的差值.     

三圆柱形相邻高层建筑间风场干扰的CFD模拟

以三圆柱体模拟相邻高层建筑群体,首先对风洞试验中的正三角形布置的三个圆柱绕流进行数值模拟,数值模拟结果与风洞试验结果符合良好,验证了数值模型的可靠性.然后以高雷诺数(1.6×107)下二维正三角形排列的三个圆柱作为高层建筑群的简化模型进行数值模拟,结果表明:当间距比较小时,后排并列两结构尾流宽窄不同,说明在实际结构中也存在偏流现象;后排并列的两结构的平均阻力系数随着间距比的增加而振荡变化,变化幅值逐渐减小并趋同于单体结构平均阻力系数;三个结构体的斯特劳哈尔数变化趋势与风洞试验结果相似,且随结构间距比增加逐渐趋同于单体结构,但三体结构斯特劳哈尔数趋同的临界间距比与风洞试验结果不同,显示临界间距比可能与雷诺数有关.     

错列双圆柱下游圆柱的升力机理

采用大涡模拟(LES)的方法,在雷诺数Re=1.4×10~5时,研究了间距P/D=4(P为圆心间距,D为圆柱直径)、风向角0°～90°的错列双圆柱的气动力特性和干扰流态,从流场角度分析了下游圆柱受到平均升力和脉动升力作用的流场机理.结果表明:随着风向角的增大,两个圆柱的干扰流态依次为旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态、剪切层干扰流态、尾流干扰流态;在旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态下,上游圆柱的旋涡与下游圆柱发生强烈的撞击,导致下游圆柱的脉动升力远大于单圆柱;在剪切层干扰流态下,下游圆柱受到显著的平均升力作用,下游圆柱风压停滞点的偏移以及上游圆柱的旋涡与下游圆柱间隙侧剪切层(或旋涡)的相互作用,是下游圆柱受到平均升力作用的两个原因.     

高雷诺数时分离盘长度对圆柱绕流特性的影响

使用大涡模拟方法,研究了高雷诺数时分离盘长度对圆柱绕流特性的影响,对不同长度分离盘下作用在圆柱体上的升力系数、拖曳力系数以及尾部流场的无量纲漩涡泄放频率(strouhal数)以及漩涡泄放形态进行了对比分析.分析结果表明:依据升力系数以及拖曳力系数随时间历程的变化特性可以将分离盘长度大致划分为3个区间,分别为稳定区间Ⅰ(分离盘长度L=0D时,D为圆柱直径)、非稳定区间Ⅱ(L=0.5D-1.0D)以及再稳定区间Ⅲ(L=1.5 D-8.0D).当分离盘长度从区间I变化到区间Ⅱ时,Strouhal(Sr)数出现突降;当分离盘长度从区间Ⅱ变化到区间Ⅲ时,Sr出现突升.随着分离盘长度的增加,圆柱尾部流场的漩涡泄放形式从2S模式(即从圆柱两侧每次只泄放单个漩涡)逐渐转化为2P模式(即从圆柱两侧每次同时泄放2个漩涡).     

利用DES方法进行细长旋成体纵向俯仰大迎角气动特性的计算研究

在亚临界流动范围内,利用DES方法对俯仰细长旋成体的流动特性进行数值模拟,给出了细长旋成体在大攻角纵向俯仰中的截面流态特点。研究发现,迎角变化跨越对称至不对称流态的上仰运动会产生明显的气动力迟滞现象,推迟了非对称的产生迎角,并延缓了细长体背风面流态之间的过渡。对细长体大攻角运动气动分析在国内外研究尚少,研究成果对充分利用非定常气动力有指导意义。     

用无网格法求解不同Re下圆柱绕流问题

采用无网格伽辽金法对不同Re下二维不可压粘性流场圆柱绕流问题进行了数值模拟。该计算不仅预测了不同条件下的流动特性,而且预测了流体作用在圆柱上的曳力和升力。这些力通过积分圆柱表面的压力和粘性力获得。结果显示,当Re大于80时,圆柱所受曳力和升力开始振荡。计算所得的脱落频率(Sr)与前人的结果吻合良好。     

Spanwise flow and the attachment of the leading-edge vortex on insect wings

The flow structure that is largely responsible for the good performance of insect wings has recently been identified as a leading-edge vortex. But because such vortices become detached from a wing in two-dimensional flow, an unknown mechanism must keep them attached to (three-dimensional) flapping wings. The current explanation, analogous to a mechanism operating on delta-wing aircraft, is that spanwise flow through a spiral vortex drains energy from the vortex core. We have tested this hypothesis by systematically mapping the flow generated by a dynamically scaled model insect while simultaneously measuring the resulting aerodynamic forces. Here we report that, at the Reynolds numbers matching the flows relevant for most insects, flapping wings do not generate a spiral vortex akin to that produced by delta-wing aircraft. We also find that limiting spanwise flow with fences and edge baffles does not cause detachment of the leading-edge vortex. The data support an alternative hypothesis-that downward flow induced by tip vortices limits the growth of the leading-edge vortex.     

展向和流向间距不同的粗糙元壁湍流ADV实验研究

为了揭示粗糙元对壁湍流的影响,采用声学Doppler流速仪(ADV)对布有展向或流向圆柱形粗糙元的壁湍流进行了实验测量。研究了不同Reynolds数下不同间距粗糙元对壁湍流流向平均速度和湍流度的影响。结果表明:在同一Reynolds数下,粗糙元展向间距为7倍直径时的壁湍流流向平均速度最小,湍流度最大。粗糙元流向布置的壁湍流流向平均速度随粗糙元间距的减小而减小,湍流度随粗糙元间距的减小而增大。相比流向粗糙元,展向粗糙元对湍流流动特性影响更大。研究结果对壁湍流流动控制和强化换热的工程应用具有指导意义。