尾流干扰下下游圆柱气动性能的流场机理

采用大涡模拟方法,在高雷诺数(Re=1.4×10~5)下,以间距比P/D=1.5～4的静止双圆柱为对象,研究了下游圆柱的气动力系数、风压系数以及流场特性随风向角的变化规律,分析了下游圆柱气动力与流场结构的内在关系,基于圆柱壁面摩擦系数和干扰流态探讨了下游圆柱气动性能的流场机理.研究表明:对于小间距双圆柱(P/D3),下游圆柱会受到明显的平均负阻力作用,两个圆柱间隙中方向相反的一对回流(串列)以及高速间隙流(错列)是出现负阻力的流场机理;对于小间距错列双圆柱(P/D=1.5～3),下游圆柱还会受到很大的平均升力作用(内侧升力),下游圆柱的风压停滞点偏移、高速间隙流和间隙侧壁面的分离泡是出现这一升力的主要原因;对于间距较大的错列双圆柱(P/D=3～4),下游圆柱也会受到明显的平均升力作用(外侧升力),但其机理与小间距时不同,是由下游圆柱的风压停滞点偏移及其间隙侧气流分离点后移造成的.     

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.     

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。     

加筋圆柱壳流固耦联振动步长样条元分析

本文用步长样条元分析了加筋圆柱壳流固耦联振动特性.利用流固交界面运动协调条件求出流场势函数与流体位移场的关系式;由变分原理推导出系统运动方程.对加筋圆柱壳振动特性进行了数值分析,探讨了液动压力对结构固有频率的影响.     

黏性流场中圆柱壳结构的振动能量流输入特性

以周向分布线力作用下,浸没在黏性流场中的无限长弹性薄圆柱壳为研究对象,分析流体黏性对黏性流场-圆柱壳耦合系统的振动能量流输入的影响规律,考虑周向分布线力作用下,薄圆柱壳壳体与由有黏、可压缩流体组成的流场之间的相互作用.首先采用Flügge薄壳理论分析壳体结构振动,然后把线性化的连续性方程、线性处理后的纳维-斯托克斯方程和小振幅波动下的状态方程结合起来得到了黏性流场中的声波波动方程,进而根据声场与圆柱壳外表面的运动协调条件推导得到耦合系统的声振耦合方程,提出了相应的数值计算方法,并与理想流体中的特性作了对比,研究了流体黏性对黏性流场-圆柱壳耦合系统的振动能量流输入的影响规律,为水下结构的减震降噪提供理论依据.     

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.     

圆柱空间内近炸药开孔平板结构载荷特点的研究

利用LS-DYNA3D软件,采用多物质Euler方法和流固耦合算法,研究了圆柱空间内近炸药处开孔平板结构的载荷特点.对近炸药处开孔平板结构周围流场状态,平板所受有效冲量与平板开孔位置、加载历史的关系进行了计算和分析.并计算了近炸药处流场的反射系数Pr/Ps.     

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).     

矩形管道内低雷诺数圆柱绕流尾迹演化特性

为了揭示有限管道壁面对圆柱绕流尾迹演化特性的影响,采用基于有限容积法的数值模拟方法,对矩形管道内雷诺数为100的三维圆柱绕流尾迹流场进行计算分析,探讨阻流比和长径比对圆柱表面和尾迹流场中压力分布的影响。研究结果表明:圆柱前、后驻点的压力系数受展向位置影响较大,后驻点压力系数与旋涡脱落状态有关;时均压力系数受管道端壁影响显著,沿前驻点至后驻点圆柱表面时均压力系数先减小后增大;在远离端壁一定区域内,尾迹流态为涡街;而在靠近端壁的一定区域内,尾迹呈现出近似双子涡形态;圆柱表面相同位置处的时均压力系数基本上随阻流比的增大而增大,随长径比的增大而减小。     

水面无限平板下方球状爆炸气泡流场压力特性

基于势流理论,利用球状气泡模型假设,通过布置点源、点偶极子和镜像边界来模拟气泡膨胀、上浮和刚性边界条件.采用虚拟黏性阻力来模拟气泡上浮过程中的能量损失.利用拉格朗日方程建立气泡运动方程.通过对不同爆炸工况下气泡运动及刚性边界处流场压力变化特性进行研究发现:一定爆距范围内,气泡运动会造成平板边界处出现绝对负压区;爆炸药量的增加或爆距的减少,均会造成流场低压区范围增大.     

低雷诺数下附属棱柱的圆柱绕流减阻

目前圆柱绕流减阻方案的探索一直是绕流研究的热点,有关棱柱作为扰流柱对圆柱减阻效率影响的研究却较少.基于不可压缩黏性流动Navier-Stokes控制方程,利用OpenFOAM对附属棱柱下圆柱绕流问题进行数值模拟.在圆柱上游或下游设置双扰流棱柱,研究了雷诺数为200时不同角度、间距比的棱柱对其升力、阻力系数和涡脱频率的影响.结果表明:附属棱柱能有效改善圆柱表面的压力分布,降低压差阻力;上游设置棱柱时对圆柱的减阻效率可以达到37.21％,较下游设置棱柱的减阻效率更高;下游设置棱柱时对圆柱升力的抑制效率高于上游棱柱,可以达到99.86％;上下游同时设置棱柱时对圆柱升力、阻力的抑制效果能得到进一步提高,较单圆柱平均阻力系数可以降低54.63％,升力系数可以降低99.94％.     

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.     

均匀流中悬臂圆柱体气动力雷诺数效应

通过风洞试验对均匀来流中长径比为5的悬臂圆柱体气动力进行了研究.试验中圆柱直径为200mm,来流风速为5~45m/s,对应的雷诺数为0.68×105~6.12×105,涵盖了亚临界、临界与超临界区间.研究表明,尽管悬臂圆柱处于均匀流中,但其气动力特性在不同高度上仍存在显著的差异,悬臂圆柱气动力也存在着明显的雷诺数效应.其从亚临界进入临界区所对应的临界雷诺数略大于二维圆柱.悬臂圆柱阻力系数在临界雷诺数范围内的减小幅度明显小于二维圆柱.在亚临界区内,悬臂圆柱阻力系数小于二维圆柱的对应值,而在超临界区则大于后者.尽管处于均匀流中,悬臂圆柱不同高度所对应的临界雷诺数并不相同,越接近自由端越早出现从亚临界向临界区的转变.     

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.     

用格子Boltzmann方法计算电磁场中圆柱绕流的减阻问题

利用格子Boltzmann方法,模拟电磁场中的圆柱绕流过程,研究电磁力对圆柱所受阻力的影响,并分析了曲线边界处理方法和曲线边界受力的计算方法;计算得到了不同强度的电磁力作用下圆柱绕流的流线、等涡线及阻力系数.结果表明,电磁力能改变圆柱绕流的边界层结构,延缓边界层的分离,同时还能有效抑制旋涡的脱落,减少阻力.     

探头式电磁流量计的理论研究和样机试验

本文分析了探头式电磁流量计的基本原理。根据电磁学和流体力学的理论求得了圆柱二电极、圆柱四电极、椭圆柱以及流线型柱体探头感应电动势的解析解。文中还讨论了边界层绕流圆柱探头和有限区间对探头输出信号的影响。从理论解可以看出,探头电极间的感应电动势与来流速度之间呈明显的线性关系。此外,文中还推荐了几种延迟或避免探头表面发生边界层分离的方法。对于圆柱和椭圆柱样机的实验证实了理论分析的结果。     

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。     

圆柱绕流低维Galerkin方法的推广

把求解静止圆柱绕流问题的低维Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法推广至可以求解绕横向或流向振动圆柱、旋转或旋转振荡圆柱等多种流动问题．方法的关键在于对以上四种流动分别选取不同的基本模态，使之满足相应的边界条件．对于振动或旋转振动圆柱绕流问题，它们与时间有关．于是扰动模态满足齐次边界条件，可以由此构造标准的Ｇａｌｅｒｋｉｎ算法．算例表明，用推广了的低维Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法定性研究上述流动问题简便实用．     

Large-eddy simulation of the compressible flow past a tabbed cylinder

The compressible flow past a tabbed cylinder has been studied numerically using large-eddy simulation for a free-stream Mach number M∞=0.75 and a Reynolds number based on the diameter Re=2×105. Because of the passive control of the flow past a tabbed cylinder, the mean drag coefficient of tabbed cylinder is less than that of a corresponding circular cylinder with a drag reduction up to 33%. The fluctuating lift coefficient is greatly suppressed to be nearly zero. Drag reduction due to the shearing process prevails over that due to the compressing process in this flow. Through investigating the mechanisms relevant to passive control of the tab, it is found that suppression of the shear layer instability can lead to a higher-base-pressure distribution, which can reasonably be associated with drag reduction and suppression of the lift fluctuations. The analysis of convective Mach number and self-sustained oscillations phenomenon inside the shear layers indicates that both the compressible effect and high-frequency forcing result in suppression of the shear layer instability of tabbed cylinder.