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.     

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。     

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.     

二维开缝圆柱环流动力特性

使用粒子图像测速(PIV)技术对各二维开缝圆柱环流流场的动力特性进行定性及定量研究,揭示雷诺数(Re)、开缝位置角、开缝倾角及相对缝宽(s/d,s为缝隙宽度,d为圆柱直径)对环流动力特性的影响规律.获取瞬态流场、时均流场以及斯特劳哈尔数(Sr)等关键流场信息,研究开缝圆柱环流流场的结构及演变规律.结果表明:脱落涡与圆柱表面环流的此消彼长,引起120°以及180°开缝圆柱的吹吸效应,显著提前圆柱尾流脱落涡的耦合时间;240°开缝圆柱的缝隙位置接近圆柱后缘,流体未达到缝隙位置时已经发生流动分离,不会形成有效吹吸效应;120°以及180°开缝圆柱的尾流脱落涡运动轨迹振幅较大,其流阻系数大于基准圆柱以及240°开缝圆柱的尾流流阻系数;狭缝角α为180°,相对缝宽为0.15开缝圆柱的尾流Sr在0.218～0.225范围内波动最小,具备最优的线性稳定性.     

MIRA阶背式模型的瞬态流动结构分析

应用采用格子玻尔兹曼方法的PowerFLOW软件,结合非常大涡模拟方法,对MIRA阶背模型进行非稳态流场求解,研究外流场的结构及流动特性.通过分析时均流场中气流从A柱沿着车顶至C柱、车尾的流动过程,探索了C柱涡、D柱涡、部分分离涡的结构及流动机理.通过分析瞬态流场探索了更加精确的随机流动特性,其中时域流场分析部分,发现车轮、后风窗及车尾区域处流场结构复杂;对频域结果的分析进一步展示了涡的振动频率及其脉动特点,发现车尾上方振动频率达12 Hz,侧窗、发动机舱顶部,车顶及车身侧部的振动频率为23 Hz,并探究了振动频率的形成机理,压力脉动分析发现底盘上方、车身尾部及后轮区域存在较大振动能量,推断得出以上区域流场结构复杂,对阻力贡献大.将仿真结果与实验结果对比分析,二者流场结构相似,涡核的数量和位置都具有较好的一致性,验证了仿真的可靠性.     

湍流分离流中颗粒的扩散机制

后台阶流动包含分离流重要的流动特性, 采取欧拉-拉格朗日耦合算法对后台阶分离流动中颗粒扩散运动进行数值研究. 气相场采取大涡模拟方法, 亚格子模式基于标准的Smagorinsky 模式, 颗粒相运动采取轨道法模拟. 计算所得气相的流向平均速度和平均脉动速度与实验结果吻合较好, 验证了模型和方法的正确性. 基于此, 数值分析后台阶两相流动的特性以及流场涡结构的发展和演化过程. 结果表明: 两相流中颗粒的扩散特性既受到颗粒粒径的影响, 又与颗粒和涡结构的相互作用时间有关. 后台阶流场中增加结构物时, 流场涡结构发生变化, 即与扰动源保持一定距离后, 涡数量增多, 流场中颗粒分布不均匀, 较多颗粒聚集在涡的外缘.     

基于本征正交分解和动态模态分解的尾涡激振现象瞬态过程的模态分析

尾涡激振是气动弹性领域的一种常见现象,在上游尾迹的气动激励下会导致流场中结构的强迫振动,该现象会危及被激励结构的完整性和疲劳寿命.本文使用圆柱/叶片的近似模型研究尾涡激振问题.该模型中的圆柱位于上游均匀来流,能够产生特定频率的卡门涡街;叶片位于流场下游,受到圆柱尾迹所施加的持续脉动激励,产生强迫振动.针对尾涡激励的近似模型,通过基于Fluent的二维数值计算,模拟了上游圆柱的脱落涡以及叶片从固定到以本身自然频率振动的瞬态过程,从而提供了流场变化过程的详细信息.基于非定常瞬态结果,采用本征正交分解(POD)和动态模态分解(DMD)分析方法,通过分解与重构叶片附近流场的压力场,提取模态频率及其变化过程,得到了尾涡激振现象的主要流动特征.通过对比两种模态分析结果发现,POD重构在残差处理方面有较大的优势,而DMD在单一频率模态的提取以及变化情况的分析方面更有优势.     

高速列车转向架区域裙板对流场与气动噪声的影响

运用声学比拟理论,采用1∶10简化模型对高速列车转向架部位气动噪声进行数值计算,并分析裙板对转向架部位流动与气动噪声性能的影响.基于延迟分离涡模型数值求解Navier-Stokes方程获得近场流场,运用考虑对流效应的Ffowcs Williams-Hawkings方程的声预测程序进行远场声辐射计算.结果表明,由于转向架舱在车体侧墙与底部形成表面不连续结构,流体通过转向架部位时产生了不同尺度和方向的复杂涡结构,上游几何体周围产生的涡向下游传播并与下游几何体相互作用,从而在转向架后端形成高湍流度尾流区.转向架区域外侧安装裙板后,流体与转向架舱的相互作用被削弱.靠近转向架并与车体侧墙平行的可穿透积分面的噪声预测结果显示,裙板可以在较宽频段内有效降低转向架部位的气动噪声.     

流体绕流微柱群的Micro-PIV实验研究

微柱群通道内的流动特性是设计与优化其散热结构的基础。采用显微粒子测速技术（Micro-PIV）对绕流微柱群流动进行研究,测定了不同Re下的绕流流场,分析了绕流微柱群的速度场以及Re对涡结构及回流长度的影响。结果表明,随着Re的增大,微圆柱尾流区出现涡结构,回流长度逐渐增大,微尺度下柱体绕流过程中边界层分离现象相对于宏观尺度具有一定的滞后性。     

数值模拟研究燃烧室冷态流场结构

运用超大涡模拟(VLES)方法对燃烧室冷态流场开展了数值模拟,研究流场中大尺度涡旋结构.选取圆管内有旋流动为基准算例开展数值模拟研究,与实验结果的比较验证了VLES方法的精度.计算结果表明,燃烧室内回流区形状合理.燃烧室中大孔射流与横向来流的相互作用形成了反向旋转涡对结构,Rothstein提出的射流迹线公式能够合理预测主燃孔的射流穿透.进动涡核(PVC)发源于燃烧室头部旋流器装置内部,基于功率谱密度预测了PVC引发流场振荡的特征频率.     

前缘弯掠(扭)斜流转子叶尖脱落涡的PIV研究

应用PIV技术测量了一开式前缘弯掠(扭)斜流转子的叶尖脱落涡的结构及其发展演化趋势,测量结果表明,叶尖脱落涡产生于叶片顶部区域,沿着一条与转子旋转方向相反的斜线向下游发展．叶尖脱落涡的强度随叶轮转速的提高而增强,随背压的提高而减弱,当背压增加到一定程度时,叶尖脱落涡消失．实验结果为前缘弯掠(扭)斜流转子在大型中央空调室外机上的应用和优化设计及其降噪提供重要的内流实验数据．     

带脊状结构的NACA0018翼型气动噪声特性

为了减少翼型的气动噪声,采用声类比的方法,以NACA0018翼型为研究对象,研究脊状结构对翼型远场噪声的影响。分别模拟来流速度为12 m/s和24 m/s,在6°攻角下布置脊状结构的翼型流场,对应的基于弦长雷诺数大约为1.6×105。通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到Riblet-Q和Riblet-H翼型的声场。非定常流场计算结果表明：6°攻角下Riblet-H翼型能够改善翼型边界层分离情况,抑制涡结构脱落,从而减小翼型表面压力脉动和接收点处声压波动。逆压梯度段脊状结构可以有效减小频率在0-3000Hz内的噪声。进一步研究表明,该状态下的噪声主要由边界层引起的涡脱落噪声所主导。可见,适当位置的脊状结构可以改善翼型的噪声情况。     

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。     

钝体矩形断面绕流场机理与主分量分析

为研究钝体矩形断面的绕流场特征和气动特性,针对宽高比为4的矩形断面,基于雷诺时均N-S方程和SSTk-ω湍流模型开展了断面绕流场非定常CFD模拟,得到了与其它文献报道一致的断面阻力系数、涡脱St数、上下面压力平均值和脉动值分布、平均涡脱位置和再附长度.对表面脉动压力时程的主分量分析表明,第一主分量与压力脉动RMS分布一致,能反映表面不同位置的脉动压力强弱和整体分布特征.基于上下面第一阶主分量形状,可确定其分离剪切流中主漩涡的脱落位置.基于第一阶主分量系数,可获得矩形断面绕流的涡脱频率.矩形断面上下表面的主漩涡脱落主导了上下表面的压力脉动特征.     

圆柱绕流远场涡对的数值模拟

基于离散涡方法求得非定常、不稳定流场,数值模拟了三种不同时刻高雷诺数下圆柱绕流结构的发展,从流谱图、等涡量线图和涡谱图可以清晰地看出从近场的初生卡门涡街,过渡到远场的二次涡街的过程,计算结果发现：远场离散涡有形成二个涡的涡对及三个涡的涡对的趋势,计算结果说明了流体运动中涡对结构的本质：由于来流是均匀的,没有加入任何拔动,当流体流过钝体时产生具有剧烈分离的不稳定流动,因此在远场形成的二次涡对及卡门涡     

Large Eddy Simulation of New Vortex Generator Enhancing Heat Exchange of Solar Energy

This paper put forward a new-type vortex generator enhancing heat exchange of solar air-drier and air-heater on the gas side,and investigated the mechanism of heat transfer enhancement and drag reduction by the influence of vortex generators on the coherent structure of turbulent boundary layer.The flow and heat transfer characteristics of rectangle channel with bevel-cut half-elliptical column vortex generators were obtained using large eddy simulation (LES) and the hydromechanics software FLUENT6.3.The instantaneous proper-ties of velocity,temperature and pressure in channel were gained.The coherent structure of turbulent boundary layer flow was showed, and the characteristic of vortex induced by inclined-cut semi-ellipse vortex generator and its influence on turbulent coherent structure were analyzed.And the effect mechanism of turbulent coherent structure on flow field,pressure field and temperature field was discussed.Based on the results,the heat trans-fer coefficient and drag reduction of the new vortex generator with different pitch angles were compared.Some-times.the coherent effects of the increased wall heat transfer and the decreased skin friction do not satisfy theReynolds analogy.The turbulent coherent structure can be controlled through the geometry of the vortex gener-ator.so the heat transfer and drag reduction can also be controlled.Then we can seek suitable form of vortex generator and structure parameters.in order to achieve the enhanced heat transfer and flow of drag reduction in the solar air-heater and solar air-drier.     

大跨度斜拉桥主梁气动力特性的大涡模拟

为验证大涡模拟方法在获得桥梁主梁气动力特性上的可行性，开展了均匀流中大跨度斜拉桥扁平钢箱梁在Re=1.27×105下的绕流场三维计算流体动力学分析.大涡模拟方法采用Smagorinsky压格子湍流封闭模型，基于网格和时间步长无关检查确定的计算参数，获得了主梁气动系数统计平均值、脉动值和漩涡脱落St数随来流攻角的变化，表明三维主梁绕流漩涡脱落的频率带宽分布和展向不同步特征.基于主梁表面非定常压力时程的统计平均值和RMS值分布，分析了主梁表面的流动分离和再附特征，并建议了风洞试验测压孔的合理布置形式.与风洞实验相关结果的对比表明，大涡模拟方法是获得桥梁主梁气动力特性和绕流机理的有效方法.     

Numerical Simulation of Uniform Flow past an In-Line Oscillating Circular Cylinder

IntroductionOscillation of cylinders in the in- line or cross- flowdirection relative to an incident flow is a commonoccurrence in industry. Understanding vortex-induced vibrations is of great importance in thedesign of a variety of offshore engineeringstructures and nuclear plant components,forexample,heat- exchangers. To understand thebehavior of this complex interactive vibrationsystem,a number of researchers have examinedthe somewhat simpler and more tractable problemof circular cylinder f…