运动平板附近圆柱绕流的数值模拟

用格子Boltzmann方法模拟运动平板附近的圆柱绕流问题, 给出一种精确确定临界间隙率的综合判定方法, 并分析了流场特性的内在本质以及各种物理现象之间的联系. 将圆柱置于运动平板上方, 平板运动速度与入口处均匀来流的速度保持一致, 模拟的雷诺数为1 000. 定义间隙率为G/D, 其中G为圆柱边界到运动平板的最小距离, D为圆柱的直径. 结果表明: 当间隙率取值范围不同时, 流场特性有较大差异; 与孤立圆柱相比, 本文中的升力和阻力有明显增加, 并且旋涡脱落也受到平板抑制.     

二维圆柱层流绕流及其控制数值模拟

采用有限体积法求解二维N-S方程,通过改变时间、空间计算参数,对雷诺数100的二维圆柱非定常流场进行了数值模拟,将所得结果与实验数据以及已有的计算结果进行了对比.并对在尾部多个位置加入不同长度阻隔板控制流动的圆柱流场进行了考察.结果发现:在合适的位置放置阻隔板,可以有效抑制尾迹中涡脱落的形成.     

脉动流条件下圆柱绕流特性研究

该文数值研究了脉动流条件下圆柱绕流场特性,对涡量分布、升阻力系数、升力系数频谱特性等进行了分析。结果表明,脉动流作用会使圆柱尾涡剪切层变薄,提高脉动频率使尾涡长度变短、脱离加快,提高无量纲脉动振幅使主导涡的脱落速度降低,使旋涡生成区域更靠近圆柱表面;脉动频率与无量纲脉动振幅的增大使升、阻力系数的振幅均增大,而且与升力系数相比,阻力系数的振幅更大,变化更快;升力系数频谱图存在多个主频,包括旋涡脱落频率和相位叠加频率,其中旋涡脱落频率的振幅随着脉动频率的增加而减小,随着无量纲脉动振幅的增加而增加。     

数值模拟放置附属圆柱的主圆柱绕流

利用格子Boltzmann方法, 对主圆柱尾流区域内放置附属圆柱的绕流进行数值模拟. 结果表明: 放置单个附属圆柱时, 主圆柱所受阻力减小, 阻力
系数发生周期性改变; 放置两个附属圆柱的减阻效果更好.     

圆柱绕流运动的GHM模拟

 基于颗粒流体动力学方法(GHM)对不同雷诺数(Re为80~1646)状态下的圆柱绕流问题进行模拟.结果显示,当Re=80时,在圆柱下游有一对较为对称的附着涡;随着雷诺数的增大,流动变得不稳定,圆柱后方的一对附着涡逐渐脱落消失,尾流逐渐变窄.通过圆柱绕流现象的算例研究,讨论了GHM的特点和需要进一步研究的问题.颗粒流体力学方法将流体视为一个离散的系统,将流场离散为弹性流体颗粒,采用赫兹碰撞理论研究颗粒之间的本构关系,处理颗粒所受到的碰撞力;采用帕斯卡原理和声速导数状态方程研究流场的密度差引起的压强差变化,处理颗粒受到的压差力.颗粒流体动力学方法不同于基于流体为连续体假设所建立的N-S方程,具有一定的原始创新意义.     

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。     

受气液两相流横向冲刷的圆柱表面压力分布研究

在１．６×１０４～５．０×１０４的Ｒｅ数范围和０～０２的含气率范围内,利用微型压力传感器和旋转工作台,对垂直上升矩形截面管内由空气和水组成的气液两相流绕水平布置圆柱流动时圆柱表面的压力分布进行了实验研究,得出了时均压力系数分布和脉动压力系数分布随含气率及Ｒｅ数的变化特性．从这些特性中可以看出,气液两相流中圆柱背侧的旋涡从层流分离开始向紊流分离转变的临界Ｒｅ数比单相流时低得多;当含气率超过０１时,在圆柱背部的尾流中不再产生明显的涡街;用脉动压力分布可以比时均压力分布更清楚地表明旋涡的强度及分离位置．本实验范围内Ｒｅ数对时均压力和脉动压力分布的影响都很小．     

窄条控制件对流向振荡柱体尾流旋涡脱落的抑制

在流向振荡圆柱体尾流中施加一个静止的窄条控制件,对尾流涡脱落及作用于柱体的平均和脉动力进行抑制.未加控制情况下,存在非锁频和3种锁频状态的涡脱落模式.流动显示及尾流脉动速度谱和脉动升力谱的分析表明,当控制件位于有效控制区域时,可抑制非锁频和2种锁频状态下的旋涡脱落,并且使脉动升力和平均阻力有明显减少.本文研究了柱体的振频、雷诺数,窄条宽度及阻塞度对有效区的影响并探讨了控制机理.     

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.     

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.      

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.     

数值分析串列双圆柱绕流

为研究不可压缩流动中二维的串列双圆柱中不同间距对圆柱间相互作用和尾流特征的影响,选取间距比L/D(L为两圆柱中心间的距离,D为圆柱直径)为2、3、4共3个间距进行了数值分析.计算均在Re=200的非定常条件下进行.计算了圆柱的升阻力系数、尾涡脱落频率等描述绕流问题的主要参量.并与参考文献的数值结果比较,验证了用FLUENT分析的有效性.     

尾部喷射对流向振荡柱体尾流旋涡脱落的抑制

强迫振荡柱体绕流旋涡脱落的抑制具有重要工程意义,但比静止柱体尾流的抑制更加困难,乍前这方面的研究很少．本文采用尾部喷射方法对流向振荡圆柱尾流旋涡脱落进行抑制实验,雷诺娄Re=V∞D／慌围为2700-9800,柱体振荡幅值A／D=O．2,柱体振荡频率范围feD／V∞=0-0．36,其中亿为来沥速度,D为柱体直径．沿圆柱母线开一个与圆柱等长、宽度为h／D=O．015的缝隙,用于喷射空气．喷射麦度比W％范围为0-18,相应的流量比hVb／DV∞范围为0-0．27．风洞中的烟线显示和热线测量结果表明当喷射速度比Vb／比（或hVblDV∞）介于其下临界值和上临界值之间时,振荡柱体两侧的尾流旋涡脱落被辛效抑制．发现在非锁频和锁频两种状态下均能抑制旋涡脱落．在振频fe／V∞和喷射速度比W亿（曼hVb／DV∞）组成的平面坐标系内找出了有效抑制旋涡脱落的区域,研究了有效区域随雷诺数的变化和喷身角对抑制效果的影响,并探讨了旋涡脱落抑制机理．     

应用粒子图像速度场仪对泊肃叶流动及圆柱绕流的测量

为了考察粒子图像速度场仪（PIV）的测量精度及分辨复杂流动结构的能力，对泊肃叶流动和圆柱绕流两种典型流动进行了测量。将泊肃叶流动的速度廓线的测量值与分析解 进行了对比，发现在测试区域内90％的测量值与分析解吻合良好，具有较高的精度，而近壁面区域由于速度偏振，测量值低于分析解。在此基础上，利用PIV技术测量了Re为500时圆柱绕流流动的主流区、圆柱两侧的剪切层，以及圆柱后的回流区和旋涡区的分布，验证了该技术非常适合于研究复杂的流动结构。     

隔水管附属管控制流动的离散涡模拟分析

采用离散涡方法对单隔水管和带附属管的隔水管的二维绕流问题分别进行了数值模拟分析.首先对4种不同附属管管数的配置情况进行了模拟,结果表明,除了管数为4、来流角度为45°的情况外,附属管能在一定程度上降低升阻力,并抑制漩涡脱落,在附属管管数较多的情况下,抑制效果更好;然后对附属管管数分别为4和10的2种布局,进行了来流方向的敏感性分析并与实验结果对比,发现多管数对来流方向的敏感性要低得多,相对于单隔水管,10根管能使时均阻力系数和脉动升力系数分别获得约26%和79%的降低.采用离散涡方法,不仅计算时间短,而且模拟结果比较可靠,具有较好的参考价值,丰富了控制隔水管绕流流动的研究手段.     

二维管道内交变流动的格子-Boltzmann方法模拟研究

采用格子-Boltzmann方法（LBM）对二维管道内不可压缩交变流动——Womersley流的流动与换热进行了数值模拟研究．结果表明：管道内压力梯度呈周期性变化，在周期较小时，管道的绝大部分区域速度分布相当平坦，在靠近壁面附近出现了速度的峰值，且靠近壁面处速度变化剧烈；在周期较大时，速度分布近似于抛物线，管道中心速度总大于壁面附近速度，且不同周期下的模拟结果与解析解都吻合得很好．另外，当速度交变时，温度表现为波动变化．速度与温度的相位差、温度的分布特性、温度的波动特性等都与压力梯度交变周期及幅值有关．研究结果表明，LBM可以用于交变流动的模拟．鉴于LBM的众多优点，该方法有望成为求解复杂流动与换热的一种有效的数值模拟手段．     

单方柱绕流的直接数值模拟研究

为了揭示柱体绕流的湍流流动机理,采用直接数值模拟方法对雷诺数为1200的单方柱绕流工况进行研究。首先通过与文献中斯特劳哈尔数、平均流速和表面压强系数等统计量进行对比,验证了数值方法的可靠性。其次采用本征正交分解方法系统地提取流场中的相干结构,结果表明：对于速度场的模态分解,第一阶模态代表平均速度场的特征,第二、三阶模态提取的是流场中的低频大尺度旋涡特征,第四、第五阶模态提取的是流场中的高频小尺度旋涡特征。最后基于联合概率密度函数分析速度梯度张量第二、第三不变量,发现方柱下游大致可分为两个流动阶段：发展阶段,流场以涡流层结构和耗散作用为主,涡流管结构逐渐生成;成熟阶段,流场中湍流结构伴随着高涡量拟能和高能量耗散率。     

圆柱与扭转柱杆件受电弓气动与噪声研究

受电弓气动与噪声性能对高速列车非常重要,为此开展了圆柱和扭转柱杆件受电弓气动与噪声仿真分析.与圆柱杆件相比,扭转柱杆件受电弓虽然平均阻力稍有增大,但其平均和脉动升力大幅度降低,从气动力角度来看对改善受电弓运行稳定性和受流质量有积极作用.通过对受电弓尾迹流场开展聚类分析发现,圆柱杆件和扭转柱杆件受电弓尾迹流场均存在三条闭...     

介质阻挡放电等离子体对圆柱绕流尾迹区流场影响实验研究

利用二维粒子图像测速系统研究了低速风洞实验中介质阻挡放电等离子体对圆柱绕流尾迹区流场的影响。对圆柱尾迹区时均流场和瞬时流场的分析表明,在圆柱表面布置的两对等离子体激励器可在圆柱尾迹区形成射流,进而改变尾迹区的速度分布和涡量分布。     

有壁均匀切交流中马蹄涡发展的数值模拟

从Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程出发．应用渐近衔接方法研究了马蹄涡在均匀切变流中的发展。在外层，用涡方法模拟了上抛和下扫两种马蹄涡的发展过程，初步地探讨了有壁切交流中马蹄涡的相干性。例如发现两种渴都向基本流的第一主变形率方向偏转，不断受到拉伸而增强等等。在内层，通过直接求解Ｓｔｏｋｅｓ方程而得到流场的发展过程，发现在外层扰动作用下，内层有新的涡产生并且随其厚度增加而缓缓升起。数值计算的结果与已有的流场显示结果相一致，从而说明涡动力学方法在研究切变层的拟序结构中是有效的。