均匀来流中串列双圆盘绕流的大涡模拟

采用大涡模拟方法(LES)对低雷诺数均匀来流中串列圆盘绕流问题进行了模拟,主要研究圆盘间距对尾迹的影响.研究发现当两圆盘间距足够小时,流场Hopf分叉相对于单个圆盘推迟.选取雷诺数为200,对圆盘间距l/d分别为1,1.5,2,3和6时的串列圆盘绕流进行模拟,发现当l/d=1时,尾迹为稳态面对称结构;l/d=1.5时,尾迹为非稳态面对称结构;l/d=2时,尾迹面对称结构破坏;l/d=3时,上游圆盘尾迹恢复面对称;l/d=6时,两个圆盘尾迹均恢复面对称.     

圆盘近尾迹中低频不稳定特性研究

利用大涡模拟(LES)和热线实验测量手段,采用小波分析及FFT方法对Re=104的圆盘近尾迹中的特征频率进行了捕捉,着重对低频不稳定性进行了研究.LES和热线实验结果表明,圆盘近尾迹中除对应于剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定的高频率StKH≈1.6和大尺度涡旋脱落频率StV≈0.14外,还存在两个低频率:StL1≈0.02和StL2≈0.03.进一步对导致低频不稳定性的物理机制进行了分析,发现低频率StL1≈0.02与涡旋脱落周向旋转有关,而低频率StL2≈0.03与回流区的伸缩运动有关.本研究合理解释了目前钝体绕流低频数值分散的原因.     

方柱跨声速流动中的剪切层和尾迹特性

采用尺度自适应模拟(SAS)方法研究了来流马赫数Ma为0.71、雷诺数Re为4×10~5的方柱跨声速绕流,并对分离剪切层和尾迹特性进行了深入分析.为了验证SAS方法的可靠性,将SAS结果与已有数值和实验结果进行了对比.在当前的跨声速流场中,剪切层中的对流马赫数约为0.6,这意味着Kelvin-Helmholtz不稳定性主导剪切层的初始阶段演化.在剪切层的初始阶段,可以看出扰动涡沿展向呈现滚筒状结构.剪切层外侧附近和方柱的回流区均出现倍频现象,这与剪切层中存在明显的涡合并有关.压力场的本征正交分解表明,方柱跨声速流场中的主导流动模态为反对称模态,这与尾迹中的涡脱落现象和剪切层引起的压缩波传播有关.     

双拉格朗日模型模拟气固两相双圆柱绕流

以湍流剪切层中大尺度旋涡结构与颗粒群的相互作用及运动规律为研究对象,提出了一种基于离散涡方法与颗粒碰撞模型相耦合的双拉格朗日气固两相流模型.用次循环调整颗粒运动计算的时间步长,将两相计算耦合在一起,从而解决了离散涡方法求解单相流场与颗粒运动方程的时间相容性问题.首先用颗粒在兰金涡中的运动验证了所提的算法,随后将该方法应用于高雷诺数湍流旋涡结构中的颗粒水平输运过程研究,模拟了圆柱尾迹中颗粒的沉降过程及其被旋涡卷吸、扬起和团聚的过程,说明在有大尺度旋涡存在的流场中颗粒更容易被流体向下游榆运.当来流速度与重力方向一致时,颗粒分布特性受颗粒Stokes数(St)影响.当St小于1时,颗粒响应流场变化的时间短,随St增加颗粒对流场变化的响应变得迟钝,重力所起的作用更加明显;当St远远大于1时,颗粒的分布几乎不受旋涡的影响,而与自由沉降的分布十分接近.     

离心泵导叶扩散段内湍流计算

采用三维贴体坐标计算了多级离心泵导叶中的湍流流场,其雷诺数Re=2.59×10~5.所采用的数值方法是目前计算流体领域中较新颖的分块隐式有限差分方法,将直角坐标推广为湍流计算,湍流计算模型为标准的K—e模型.精确地模拟出了泵导叶中的高雷诺数湍流速度及压力场.其结果与实验值基本吻合.     

绕圆盘空化器空化流动及阻力特性的数值分析

应用基于滤波器的湍流模型(FBM)对绕圆盘空化器空化非定常流动和阻力特性进行了数值计算和分析. 计算中雷诺数保持不变,通过改变来流压强获得不同的空化数;FBM模型通过二次开发嵌入至商业软件CFX中. 结果表明,随着空化数的减小,绕圆盘空化器的空化区域由与空化器分离转变为附着于空化器;大空化数时,尾迹中更明显的旋涡分布将增强空化器所受阻力的周期性和波动性;随着空化数减小,圆盘空化器所受阻力变得稳定.     

剪切来流中圆盘近尾迹的数值研究

采用直接数值模拟(DNS)方法对低雷诺数时剪切来流中圆盘近尾迹进行了数值研究,重点研究剪切率对尾迹结构的影响.选取的雷诺数是140,160和300,无量纲进口来流剪切率范围是0≤k0.1.当Re=140和160时,尾迹均变为非稳态面对称结构,表明剪切来流中非稳态面对称模态出现的临界雷诺数减小.剪切来流中发夹涡头部在来流速度较高侧明显偏大,且当Re=160时对称面位置随剪切率的增加而逐渐趋于xoy面.当Re=300时,剪切来流中圆盘尾迹结构没有明显变化,仍呈弱紊乱状态.研究还发现,相较于均匀来流,在k值较低(k0.1)的剪切来流中无量纲涡旋脱落频率基本不变.     

基于流固耦合的弹性水翼流致噪声数值分析

针对弹性水翼在流体作用下变形较大的特点,采用计算流体动力学(CFD)方法计算水动力载荷,采用有限元法计算结构响应,建立了双向流固耦合计算方法.在计及结构变形的情况下计算得到了NACA66mod型水翼的稳态流场和压力脉动,发现水翼在雷诺数为7.5×10~5,攻角4°~6°之间发生转捩现象.基于得到的脉动压力,结合模态叠加法和声学边界元法,建立了流致噪声计算方法.数值计算结果表明:在转捩发生后,流致噪声主频处峰值降低;雷诺数每增加1.5×10~5,各成分的声压级增幅约为3dB,主频增幅约为25 Hz;流噪声由压力脉动决定,振动噪声由结构固有特性和激励力共同决定;对于总声压级,水翼流噪声较其自身振动噪声大,振动噪声在近壁面处衰减较快,而流噪声在远场衰减较快.     

稳定分层湍流的大涡模拟

稳定分层湍流是大气和海洋流动中常见的自然现象, 是预测大气和海洋流动的重要物理机制. 我们用大涡模拟方法研究稳定分层流体湍流, 以期获得与实际大气和海洋中稳定分层湍流相符的性质. 我们在不同初始条件的流场和不同的流动特征参数（雷诺数Re和弗罗德数Fr）下用大涡模拟方法获得充分发展湍流场. 通过分析湍动能和湍流特征尺度随时间的演化考察稳定分层湍流演化过程; 并通过三维能谱、水平和垂直能谱来检验数值模拟是否和真实大气、海洋中实测结果一致. 研究结果表明, 大涡模拟可以用较少网格数获得和实测一致的稳定分层湍流性质. 不同的初始流场都能演化为湍流, 并且发现演化过程的后期总是内波能量占优势. 研究证实要获得和实测一致的稳定分层湍流的关键是特征参数必须满足一定条件： 特征雷诺数和弗罗德数不一定要和实际大气和海洋中的参数相等, 但是要求雷诺数足够大, 弗罗德数足够小（例如Re〉102, Fr〈0.1）; 特别重要的是组合参数ReFr2必须大于10.     

不规则柱体绕流的数值研究

为研究不规则柱体绕流的流体力学特性,介绍了国内外柱体绕流研究的相关进展与研究方法,然后运用数值模拟软件STAR-CCM+建立了4个二维模型,并在雷诺数Re=8×10~5和3.6×10~6两种情况下进行了数值模拟。通过对比普通圆柱体绕流和改变截面形状后的柱体的绕流效果,发现不规则柱体对绕流产生了一定的影响,能够延缓尾涡的脱落,效果显著。     

零下温度时二维通道内界面活性剂减阻流动的实验研究

为了进行零下温度时区域供冷系统的界面活性剂减阻设计,测量了-5℃时以质量分数为20%的甘醇不冻液为溶剂的界面活性剂溶液油醇基二羟乙基甲基氯化铵在二维通道内的减阻特性,同时用粒子成像测速仪对减阻流动的湍流特性进行了测量.实验发现:质量分数为5×10-5~5×10-4的低浓度油醇基二羟乙基甲基氯化铵界面活性剂溶液在一定的雷诺数范围内均呈现减阻特性,且其减阻特性与质量分数和温度呈复杂关系,最大减阻值可高达70%以上;在湍流液体中只需加入少量该界面活性剂即可大幅度减少液体输送的动力消耗.与单独的质量分数为20%的甘醇不冻液湍流流动相比,添加界面活性剂抑制了湍流速度脉动,使雷诺应力完全消失.     

液态金属钠在环管热进口段的湍流传热研究

本文对液态金属钠在环管热进口段部分的湍流传热做了实验研究.实验的主要特性参数如下:环形通道之直径比 d_2/d_1=1.54;热流密度 q=50W/cm~2;雷诺数Re=2×10~4～1.5×10~5;伯克利数 Pe=122～1078.分析表明,实验值与理论值吻合良好.最后,分别给出稳定段和热进口段的努谢尔特数以及热进口段长度的计算式.     

低雷诺数k-ε模型钝体绕流场预测能力研究

以1∶3缩比标准MIRA三厢车型为对象,基于合理的网格策略,应用AB、LS、AKN和CHC四种低雷诺数k-ε湍流模型,对其外部绕流场进行数值仿真.以风洞试验数据为准,通过比较气动阻力系数及车身表面压力系数,系统研究四种低雷诺数湍流模型针对处于车体不同部位存在不同运动特征流动的仿真特性,进而明确四种低雷诺数模型针对高雷诺数临地面钝体绕流预测能力的强弱.     

带肋板尾缘开缝叶片内的流动传热性能研究

针对燃气透平带肋板的尾缘开缝叶片,采用RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程求解结合SST γ-Re_θ转换模型数值方法,研究了3种来流湍流度、3种来流雷诺数和3种冷气质量流量比条件下叶片和尾缘开缝区域的流动传热性能,并与无肋板开缝叶片进行了对比,利用实验数据考核了数值方法的有效性。计算结果表明:随着来流湍流度的增大,带肋板的尾缘开缝叶片表面传热系数逐渐增大,开缝壁面的传热系数基本不变,能量损失系数和总压损失系数随之增加;在相同来流湍流度时,增加来流雷诺数可降低损失;增大冷气质量流量比对叶片表面的传热系数影响很小,但可显著提升开缝壁面的传热系数;与无肋板的开缝叶片相比,带肋板的尾缘开缝叶片表面的传热系数和压力系数更低,开缝壁面换热系数更高;当Re为2.0×10~6时,带肋板的开缝壁面平均换热系数比无肋板时的高14.46%,来流雷诺数分别为0.5×10~6、1.0×10~6、2.0×10~6时,相比无肋板开缝叶片,带肋板尾缘开缝叶片的能量损失系数分别增加了3.75%、5.91%、6.75%,总压损失系数分别降低了3.4%、3.37%、2.06%。     

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.     

车身非光滑表面边界层流场特性分析

为了研究非光滑车身表面边界层流场特性,采用大涡模拟与Realizable k-ε湍流模型对车身外部瞬态和稳态流场进行数值模拟计算,对比分析了非光滑模型与光滑模型边界层内速度、粘性底层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度和湍流耗散率等流场参数,解析了非光滑表面对车身流场流动特性的影响.研究结果表明,非光滑模型边界层内速度明显高于光滑模型,边界层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度、湍流耗散率都比光滑模型有所减小.非光滑表面的引入加剧了车身尾迹气流的参混效应,防止外界的高速流对内部低速流的引射作用,从而减少了车身流场能量的损失.     

不同湍流模型下偏导射流伺服阀 前置级流场特性仿真

利用常用的k-ε湍流模型对偏导射流阀前置级流场进行数值模拟,探讨不同湍流模型对偏导射流伺服阀流场信息的影响.在相同初始条件下,对偏导射流阀前置级流场进行两相流二维数值计算,获得不同湍流模型下,压力、速度场信息及气穴分布特点.针对两接收腔压力仿真值比实测值要小的情况,主要是由于将流场边界层流动视为高雷诺数流动与实际情况不符造成,引入低雷诺数模型对边界层进行处理.在此模型的基础上继续深入研究单向流和两相流模型及不同背压和湍流强度对流场特性的影响.仿真结果表明:接收腔压力提高并与实测值相一致.采用两相流模型获得的结果更为真实,并且提高背压和增大湍流强度都会使两接收腔压力升高,对空化现象有一定的抑制作用.     

三维方管中柱体可压绕流的大涡模拟

该文利用大涡模拟,对可压缩流体绕经安装在方管底部的长方体和矩形体的绕流现象进行了三维数值模拟.模拟结果显示了流体绕经障碍物后各涡的形成和耗散过程. 分析了不同Re时柱体绕流流场的结构.发现长方体壁面上的各个涡在小雷诺数时基本稳定,在大雷诺数时涡容易脱落,流场呈现复杂的湍流结构.通过改变柱体障碍物的高度,得到了绕流流场在不同阻塞比下的结构变化,发现湍流现象随着阻塞比的增大而增强.     

微距PIV测量球床多孔介质单孔流场实验研究

PIV技术是20世纪80年代发展起来的一种瞬态、多点、无接触的流体力学测速方法。它能够在不干扰流场的情况下,实现对流场瞬时和全局测试。本次试验在现有PIV中添加微距镜头,对多孔介质某一孔隙的流动特征进行检测和分析研究。实验选用的多孔介质是由直径20 mm的水晶玻璃球随机堆积而成,孔隙率为0.5923,迂曲度为1.33,选用的流体为65%苯甲醇和35%无水乙醇混合液,其折射率须与多孔介质完全匹配。经过微距PIV实验,得到多孔介质某一孔隙内的流场矢量图。分析发现：低雷诺数时,流体流动受外界干扰随机扰动,方向出现波动性,随着雷诺数增加,惯性力增强,干扰和波动性被抑制,流动变得稳定规则,流线为直线;当雷诺数达到154.1时,开始出现局部流线弯曲,因而可以认为此时多孔介质进入流动转捩期,当雷诺数超过214.9时,流动进入完全湍流,全场流动转为不规则流动,同一雷诺数下不同区域流动大小方向不断发生变化,不同雷诺数下同一区域的流场也不相同。同时还发现,不稳定流动可能源于某些未被惯性抑制的随机流动。当雷诺数超过482.2后,横向流动或者旁路流使湍流流动愈益复杂,不同位置交替出现流体的聚团和剥离消散。这些为多孔介质内部流动转捩机制提供了深入认识和新的发现。     

阻流比对平行壁面间圆柱绕流尾迹演化的影响

为了揭示阻流比对圆柱绕流尾迹演化特性的影响,采用多块O型网格,对低雷诺数下较宽阻流比范围的平行壁面间圆柱绕流进行数值模拟研究,讨论不同阻流比下壁面对圆柱绕流尾迹形态和尾迹转捩的影响,得到尾迹转捩临界雷诺数、双子涡和旋涡脱落的特征参数。研究结果表明:圆柱绕流尾迹转捩和尾迹形态受阻流比影响显著,尾迹转捩的第一、第二临界雷诺数随阻流比而增加,当阻流比超过临界值后,尾迹中出现2个附着于壁面的回流区;斯特劳哈尔数和阻力系数均值随阻流比而增加,而升力系数均方根在不同阻流比范围内则呈现出不同的变化规律。