低雷诺数开缝圆柱绕流尾迹流场特性

为了揭示开缝对圆柱尾迹流场的影响,采用数值模拟方法对低雷诺数无限大流场中开缝圆柱绕流进行研究,以相对缝宽(即缝宽/圆柱直径)和开缝角为变量,斯特劳哈尔数、阻力系数和升力系数为特征参数,分析不同开缝条件下旋涡脱落和圆柱受力的演化过程。研究结果表明:圆周压力分布受相对缝宽和开缝角的影响较小,圆周压力最小点位置随相对缝宽和开缝角的增大而后移;当相对缝宽为0.1时,最大后移幅度为6.11°;边界层分离点随开缝角增大而后移,而边界层分离点随相对缝宽的变化则因开缝角范围不同而不同;随着开缝角增大,开缝圆柱所受阻力减小,当相对缝宽为0.1、开缝角为90°时,可减阻14.63%,升力先增加后减小,旋涡脱落频率增大。     

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.     

流道弯曲对圆柱绕流尾迹流场的影响

为揭示流道弯曲对圆柱绕流尾迹流场的影响,对低雷诺数下弯曲流道内二维圆柱绕流进行数值模拟,讨论管道宽度、弯曲角度和弯曲距离对流场的影响,得到一定管道宽度下多组合弯曲角度和弯曲距离的流场特征参数及漩涡脱落特征。研究结果表明:弯管内圆柱绕流流场是弯管和圆柱之间相互作用的结果,弯曲段的存在使尾迹流场呈不对称分布;流道宽度对流场特征参数有显著影响,流道越窄,流场越复杂,圆柱前后压差越大,涡长约增长1.4倍,分离角约增大3°,圆柱后壁面会出现附壁涡;压力系数、阻力系数平均值和升力系数均方根随弯曲角度增大明显增大,在θ为90°时达到最大值;随弯曲距离增大,弯曲段对圆柱后尾迹流场的影响越来越小。     

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。     

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。     

浅水层圆柱绕流流动模式的实验研究

对浅水层中圆柱绕流的流动模式进行了探讨．采用数字图像测速(DPⅣ) 系统对直径为1.27 m的圆柱在多个特征参数下的尾流流动特征进行了详细的测量． 实验结果给出了全流场的尾流的速度流线图．结果表明,决定浅水层圆柱绕流流动 模式的唯一参数是特征参数s,并且发现s=0．45是尾流区涡街向形成稳定的回流\r 区转变的临界值．同时给出了浅水层圆柱绕流尾流流动机理的合理解释．     

平壁附近钝体绕流的数值模拟

采用有限差分法,模拟粘性流绕平壁面附近的圆柱的流动。流动方程采用涡量-流函数形式。涡量输运方程采用ADI方法求解,流函数方程采用SOR方法求解。计算网格采用椭圆型贴体曲线网格技术数值生成。考察了缝隙比（e/D)对圆柱尾流的影响,得到了与实验基本符合的结果。     

锥形流量计尾流流场分析

锥形流量计尾流流场通过差压影响锥形流量计的流出系数,是影响锥形流量计性能的关键指标.为此,使用PIV实验的方法研究DN100口径,β为0.65,前后锥角分别为26.0°和67.5°的锥形流量计尾流流场的速度分布状况.通过PIV实验得到锥形流量计尾流中存在漩涡结构.对比PIV实验和CFD仿真得到的锥形流量计尾流漩涡处的速度分布、漩涡中心得出结论:SST k-ω湍流模型更适合锥形流量计的三维流场的仿真.利用校准后的CFD仿真得到2个规律:经过管道内径的无量纲化以后,锥形流量计尾涡的涡心、漩涡尺寸在4×104~3×105的入口雷诺数范围内仅与β相关;在此入口雷诺数范围内,同一锥形流量计的尾涡涡心的位置和漩涡长度保持稳定.     

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.     

不同三维柱型绕流的仿真分析

为研究不同柱型绕流的水动力特性,以三维圆柱和方柱为例,运用有限元仿真软件ANSYS Workbench,模拟仿真在雷诺数为2.0×104下中截面近壁面周向压力、平均阻力系数、平均升力系数以及斯特劳哈儿数等,并通过分析展向不同截面的旋涡脱落和尾流验证其三维特性,结果表明,圆柱绕流过程中,分离点是不变的,只是围绕一点作周期运动,方柱绕流过程中分离点不断变化在左右前角点之间周期变化;相同条件下,方柱的旋涡脱落频率比圆柱的旋涡脱落频率低,而尾流幅度比圆柱大;整个绕流过程有明显的三维特性,验证了分析三维模型的必要性。     

离散涡法模拟不同直径串列圆柱绕流

通过在势流场中嵌入有限数目的点涡来代表局部有旋区域连续分布的涡量,在拉格朗日框架下应用离散涡方法求解非定常涡量方程。从而有效模拟了高雷诺数下不同直径串列圆柱绕流脱落旋涡的动态演化过程,并分析了流场中大尺度旋涡相干结构对前后圆柱受力的影响．结果表明,流场中的小尺度旋涡会被大尺度旋涡卷吸．形成涡量强度更大的旋涡．当大圆柱在前、小圆柱在后布置时,大圆柱的升、阻力系数受影响较小,大圆柱阻力系数基本保持不变,小圆柱阻力系数平均值较小但振幅波动较大,大圆柱的升力系数波动较大,大、小圆柱的升力系数的平均值都基本为0;当小圆柱在前、大圆柱在后布置时,大圆柱阻力系数振幅增大而平均值降低,小圆柱阻力系数振幅减小而平均值增大,大、小圆柱的升力系数趋向于一致,平均值仍然都基本为0．     

圆柱型桥墩绕流的流场特性实验分析

桥墩尾流中的水流的脉动是影响桥墩局部冲刷作用的动力因素之一,而水流脉动中的漩涡结构又是其主要组成部分,本论文以模型试验为基础,运用PIV技术测量了圆柱桥墩模型绕流后方流场的水平切面,在此基础上做了尾涡摆动周期验证和时均流场分析,并利用ADV测得圆柱绕流后方流速测点的三维瞬时流速,分析了圆柱后方水流的脉动主频。     

脉动流条件下的圆柱绕流特性研究

为探究脉动流对流体绕流结构物产生的影响,采用数值方法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力系数、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。在流场中加入脉动流,可以增强流体振动促进流动混合。     

全风向角下小间距双方柱绕流的大涡模拟

采用大涡模拟方法研究了间距比（P/B）为1.5(P为柱心间距,B为方柱边长)、风向角α为0°～90°等条件下双方柱在均匀来流作用下的气动力、流态划分、表面风压和流场特性。研究发现：小间距双方柱流动干扰效应显著,下游柱平均气动力随风向角的变化规律与上游柱和单方柱差异较大,且可能受更大的升力绝对值。将小间距比双方柱绕流分为前角分离流态（α=0°～10°）、分离泡流态（α=20°～30°）、附着流流态（α=40°～60°）及间隙侧分离泡流态（α=70°～90°）四种模式。附着流流态和间隙侧分离泡流态的间隙区出现较强的负压。尾流负压区的强度随风向角先增强后减弱,在α=50°附近达到峰值。前角分离流态时双柱具有一个整体的尾流回流区,而在其他流态下上下游方柱均有独立的回流区。     

均匀来流下方柱表面风压非高斯特性的流场机理

极值风压和风压非高斯特性是建筑主体和围护结构抗风设计的重要问题,但其流场机制尚未被澄清。采用大涡模拟方法,在雷诺数Re为22 000的条件下,研究了方柱表面风压非高斯特性随风向角的变化规律,分析了风压非高斯区域与平均流场的关系,基于瞬时流场结构探讨了方柱表面出现极值风压的流场机理。研究表明,方柱表面风压非高斯区域主要分布在方柱后角部位和背风面,而方柱侧面的剪切层再附区域(即分离泡区域)则并未出现明显的风压非高斯现象;方柱后角部位极值风压是由间歇性出现的角部附着涡导致,角部附着涡的形成与方柱尾流中的卡门涡有紧密联系;而方柱背风面极值风压则是由方柱尾流卡门涡的回旋作用引起,极值风压的发生位置会随尾流卡门涡的移动而改变。     

轴流压气机进口总压畸变的端区流动响应数值研究

为了探究进口周向总压畸变对压气机性能的影响,以及不同畸变角下压气机端区流场对畸变响应的区别,对跨声速轴流压气机一级动静叶进行全周非定常数值模拟,分别采用均匀来流,畸变角为30°、90°和120°的畸变来流这4种进口条件。进口畸变使压气机的性能明显恶化,并且随着畸变角的增大恶化加剧。畸变角为120°时,随着动叶扫过畸变区,动叶叶顶区域激波的结构和强度发生改变,叶顶间隙泄漏涡的轨迹和强度也发生周期性变化。畸变也会对下游静叶流动产生影响,使静叶叶顶和角区分离加重。当畸变角为90°时,所影响的动叶流道数减少但流场对畸变的响应规律没变。当畸变角减小到30°时,畸变经过动叶完全衰减,静叶流场几乎不受影响。研究结果揭示了压气机性能改变和叶顶、叶根端区流动结构动态特征与畸变来流间的关系,可为提高压气机抗畸变能力提供理论基础。     

圆柱型岛屿浅水尾流流动模式的研究

对直径为l.27m的圆柱型岛屿在浅水层中尾流的流动模式进行了数值模拟与实验研究.采用数字图像测速(DPIV)系统对圆柱型岛屿尾流区的流态进行了测量,实验结果给出了全流场的速度流线图,表明了尾流区流动的特征,并采用尾流稳定性参数S将尾流区流场划分为三种流态5＜0.2为涡脱落流态;0.2＜S＜0.45为不稳定状态;S＞0.45为稳定状态.在数值计算中求解了水深平均的Reynolds方程和RNGk-ε湍流模型,模拟了实验条件下的尾流流动.计算结果与实验结果相吻合.     

自动网格体系在柱体绕流大涡模拟中的适用性评估

为了评估基于snappyHexMesh方法生成的自动网格体系在二维柱体绕流大涡模拟中的适用性,比较了该自动网格体系与人工网格体系对于Re为3 900圆柱绕流和Re为22 000方柱绕流的数值模拟结果。通过设置合理的计算域以及数值格式,采用snappyHexMesh自动网格以及人工网格的算例都表现出良好的数值稳定性。将不同网格体系的数值模拟结果与物理试验结果进行对比,结果表明,采用snappyHexMesh网格可以提高数值求解效率;圆柱绕流对网格体系的变化比较敏感,不同密度的snappyHexMesh网格会显著影响圆柱气动力特征以及尾流区域的流场结果;snappyHexMesh网格体系可以准确预测方柱绕流,在方柱绕流大涡模拟中具有相较于圆柱绕流更好的适用性。     

附体位置对水下航行体伴流场影响规律研究

针对水下航行体围壳和尾翼对流场产生的扰动显著降低螺旋桨推进效率且增加螺旋桨噪声的问题,采用计算流体力学方法对水下航行体周围黏性流场进行模拟,以揭示围壳和尾翼位置对桨盘面伴流场的影响机理及规律,为优化附体布置提供理论支撑.研究结果表明:附体尾流和角区马蹄涡会随着艇体流入桨盘面,影响桨盘面伴流场质量;围壳前移会增加尾流恢复和马蹄涡耗散的距离,利于桨盘面伴流场均匀度的提高;尾翼位置对伴流场的影响更为显著,尾翼后移会减小垂直和水平翼间的距离,促使相邻尾翼马蹄涡融合;当尾翼与桨盘面距离小于临界值时,桨盘面上尾翼马蹄涡控制的核心区均匀性会急剧恶化;随着尾翼后移,其遭遇来流速度减小,桨盘面内半径的湍流强度减小.     

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.