高雷诺数圆盘绕流尾迹特性的大涡模拟研究

采用大涡模拟方法对垂直于来流的圆盘(直径为40 mm,厚度为8 mm)后尾迹中的湍流特性进行了研究.流动雷诺数分别是1×10~4、1×10~5和2.5×10~5.发现当Re1×10~4时流场的平均速度、雷诺应力和阻力系数等的分布受雷诺数影响较小,圆盘绕流产生的阻力主要取决于圆盘前后的压力差.通过分析流场的频谱特性,研究高雷诺数条件下圆盘尾迹中的湍流结构及不稳定机制,发现3个无量纲特征频率St≈0.028,St≈0.138～0.146和St≈1.437,分别对应于近尾迹中的回流区沿轴向脉动、驻定涡旋脱落和Kelvin-Helmholtz不稳定这3种不稳定性机制.     

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．     

均匀来流中Spar平台涡激运动响应研究

Spar平台由于其优良的特性,近年来,在深水工程领域,得到了越来越广泛的应用.Spar平台由于其特有的几何特性,从而导致其在水流中可能产生涡激运动.文中针对Spar平台的刚体特性,建立了Spar平台与尾流振子之间的耦合运动方程,利用该方法对一模型平台进行了数值验证,计算得到的锁定区域与实验测得的结果吻合良好.接着对一真实的Spar平台进行了计算,并得到Spar平台和尾流振子的时间历程曲线.结果表明Spar平台的运动幅度以及运动周期比通常涡激振动的幅度以及周期要大.     

方柱绕流的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对雷诺数为2.2×104的方柱绕流流场进行了数值模拟.使用非交错网格的有限差分法,分别对准三维物理模型和真实三维物理模型求解不可压N-S方程,将沿流向方向方柱水平中心线上的时均速度的计算结果与实验数据进行了比较,结果表明,三维模型的模拟结果优于准三维模型的模拟结果.比较升力系数和阻力系数发现,与二维模拟(RNG)方法相比, 三维模拟的结果更加接近实验测试数据.     

方柱绕流的大涡模拟

采用物理分步法对方柱绕流的流动分离现象进行了大涡模拟(LES).物理分步法将N-S方程剖分为对流、扩散及波动过程,对不同的物理过程分别采用适宜的方法进行求解.对流过程采用逆风——中心差分格式求解;扩散过程采用中心差分格式求解;压力方程采用SOR迭代法求解.计算的方柱四周的平均压力系数的分布与物理模型试验结果吻合良好;模拟的流动现象也得到了物理模型试验的证实.     

热力羽流的大涡模拟

采用大涡模拟的方法对两无穷大平板间受热形成的羽流进行了数值模拟.控制方程为三维不可压N-S方程组,数值格式采用了高精度的伪谱方法,亚格子模型则采用了TNS模型.首先对槽道流进行了模拟,通过比较大涡模拟和直接数值模拟的结果对此方法进行了验证.随后数值模拟了热力羽流的输运过程,分析讨论了相关的温度场和速度场,并比较了不同Rayleigh数对流动特性的影响.结果表明当Rayleigh数比较大时,热浮力对流动的影响比较大,形成了比较复杂的流动结构.     

恒定有压扩散流的大涡模拟

采用大涡模拟（LES）方法对恒定有压扩散流进行了数值模拟，对大尺度漩涡直接求解Navier-Stokes方程，小尺度漩涡采用标准Smagorinsky亚格子模型模拟．针对不同雷诺数下扩散段内的水流进行数值模拟，得到了各雷诺数流动时的时均速度场，分析了不同流态下扩散段内恒定有压扩散流时均流动特性．通过对不同流态下扩散段内连续瞬态流场的分析，探讨了不同雷诺数流动时扩散段内瞬态流场结构特点以及分离区内漩涡的变化规律，指出在恒定流状态下扩散段内存在流动的局部不稳态现象（主流的非周期性摆动），并对此现象进行分析．计算结果和试验结果吻合较好．     

大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用

首先回顾了大涡模拟方法在边界层研究中的应用 ,总结了该方法在非均匀性研究中的概况。然后 ,用大涡模拟方法 ,并且启用陆面模块 ,模拟了真实下垫面条件下地表热量通量和动量通量的分布和边界层气象场 ,初步分析了非均匀下垫面对边界层结构的影响     

低矮建筑非定常绕流大涡模拟影响因素

掌握结构周围风场及其特性,是开展建筑结构抗风设计的基础。借助采用大涡模拟(LES)的方法,对低矮建筑非定常绕流进行了大涡数值模拟研究。分别分析了不同运算时间、建筑物不同高度处及不同风速因素,对低矮建筑非定常绕流特性的影响。结果表明:(1)随着时间的增加,建筑物迎风侧的速度和压力均增大,背风侧的压力出现了负值,速度最小值出现在背风侧的涡中心位置。(2)随着建筑物高度逐渐增加,涡的位置逐渐向上偏移,由于风速比较均匀,当遇到建筑物时,在建筑物迎风侧,速度流线会形成一种上升的趋势,背风侧的压力逐渐增加。(3)随着风速的增加,建筑物的背风侧出现了大涡,且速度逐渐增大,背风侧的压力最小值逐渐减小。     

明渠紊流中淹没柔性植被流固耦合大涡数值模拟

水生植被广泛存在于天然河道、湖泊及湿地,是河流生态系统的重要成分.它通过改变明渠水流时均及紊动结构来改变河道水流阻力,并在水流作用下发生弯曲和摆动,形成复杂的流固耦合作用.研究柔性植被在水流作用下的运动响应,能够更精确地解析植被的阻水效应.本文采用基于嵌入式迭代浸入边界法的高效能三维紊流计算程序CgLes,开展流固耦合数值模拟,研究柔性植被在水流作用下的弯曲及运动响应,分析植被涡激振动特性及水流阻力规律.模拟结果表明,植被运动以展向摆动为主导,植被刚度对植被运动轨迹和摆动周期有显著影响,进而影响植被的阻水规律.在水动力条件相同的情况下,植被的摆动周期与植被的弹性模量有关,且不受流场影响.随着刚度系数增大,植被运动模式从准周期性摆动变成周期性摆动,最终发展为刚性情况下的静止直立状态;植被刚度较大且间距较小时,植被存在逆流向弯折现象;在刚度较大时,柔性植被随着水流而摆动,抑制流速发展;但是当柔性植被刚度较小时,植被接近倒伏,明渠的平均流速对比刚性植被情况增大;本文算例中植被刚度对平均流速的影响最大约为2.47%.植被间距对植被的下弯幅度影响较小,但对展向摆幅作用显著;平均流速随植被间距增大...     

基于大涡模拟的开孔潜体流噪声数值模拟

基于大涡模拟（LES）方法和Lighthill声学类比方法,对一倒T型开孔进行流场及流激噪声进行数值模拟,计算所得结果与公开发表文献上的数值及实验结果吻合良好,验证了基于LES的流噪声数值模拟方法的可行性.在此基础上,对某三维开孔潜体（原型）及其改型进行了流噪声数值模拟,对潜体内腔流场及其噪声辐射结果进行分析,从数值模拟的角度验证了改型潜体在阻力和噪声性能上都要优于原型潜体.
     

并排方柱绕流的大涡数值模拟及显示

采用大涡模拟的方法对雷诺数为7.5×105并排双方柱绕流流场进行了数值模拟,并对所采用的模拟方法进行了实验验证.利用有限体积法和SIMPLE算法计算程式,对双方柱三维物理模型求解不可压缩的N-S方程.计算得到了方柱绕流的速度场和涡量场以及不同时刻的速度分量分布情况.对方柱后速度场、涡旋形成、脱落以及波动性等问题进行了分析,结果符合物理学规律.     

基于大涡模拟的圆柱绕流剪切层不稳定性

圆柱绕流是一种常见的流体力学研究对象,随着雷诺数(Re)增加,其下游尾迹剪切层中会产生开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象.利用大涡模拟方法,数值求解中等Re(Re=2000,3900,5000)的圆柱绕流问题,可得圆柱下游的精细化流场,继而开展对剪切层不稳定性的深入研究.为获得剪切层不稳定性的特征频率,分别采用传统的监测点分...     

加力燃油泵隔舌分离流的大涡数值模拟

针对某型航空发动机的加力燃油泵隔舌空蚀破坏,采用动态亚格子应力模型对不同流量工况下加力泵内非定常流场进行大涡模拟,分析环形腔室隔舌附近分离流动规律及瞬时压力特性,探讨隔舌空蚀破坏发生工况。计算结果表明:在全开加力工况下,伴随隔舌附近分离涡的周期性增长与脱落,隔舌处监测点压力脉动幅值达14%,而下游监测点压力脉动幅值仅3%;在小加力工况下,扩散管内阻滞燃油绕流隔舌返回环形腔室,隔舌附近流动严重分离,分离涡的脱落使得隔舌处瞬时静压达到负值,分离再附位置与隔舌空蚀破坏核心区域相符。在全开加力工况下,隔舌附近不会发生空化;而在小加力工况下,隔舌分离流会诱导空化并导致空蚀破坏。     

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.     

二维方柱绕流阻塞效应的大涡模拟

在均匀流条件下对阻塞比(R)分别为4.2%、10%、16.7%、20%和25%的二维方柱绕流进行了大涡模拟(LES)研究,对比了各工况下柱体的整体气动力和表面风压分布随阻塞比的变化规律,分析了阻塞比对柱体附近区域内流场特性和瞬时涡量的影响.研究表明,当阻塞比由4.2%增大到25%,柱体的平均阻力系数、脉动升力系数和Strouhal数分别增加了27.6%、43.6%和31%.随着阻塞比的增大,侧面及背风面负风压系数的均值绝对值以及脉动值均显著增加,柱体两侧附近流场特性也有明显的变化.在大阻塞比工况中,洞壁附近会生成二次旋涡,并与柱体脱落的旋涡相互掺混.     

声学的大涡模拟

本书是《剑桥航空和航天》系列丛书第20卷。由于飞机、火车和工业造成的噪声污染引起极大的关注，工程师和研究人员着力于把大涡模拟（LES）用于减少工业噪音的设计和声学研究。本书由30多位专家撰写，由3位博士编辑而成，书中介绍声学和大涡模拟的理论基础以及相关的数值方法，详细讨论了用于声源预测的雷诺平均纳维一斯托克斯（RANS）／大涡模拟杂交技术，给出了一些应用实例，包括混合层和喷气流动的简单几何到复杂的机翼和汽车几何，虽然现在对于所有重要应用问题还没有完美的求解方法，但是，书中给出了当前的方法、     

低矮建筑非定常绕流大涡模拟影响因素研究

掌握结构周围风场及其特性,是开展建筑结构抗风设计的基础。借助采用大涡模拟（LES）的方法,对低矮建筑非定常绕流进行了大涡数值模拟研究,分别分析了不同运算时间、建筑物不同高度处及不同风速因素,对低矮建筑非定常绕流特性的影响。结果表明：（1）随着时间的增加,建筑物迎风侧的速度和压力均增大,背风侧的压力出现了负值,速度最小值出现在背风侧的涡中心位置;（2）随着建筑物高度逐渐增加,涡的位置逐渐向上偏移,由于风速比较均匀,当遇到建筑物时,在建筑物迎风侧,速度流线会形成一种上升的趋势,背风侧的压力逐渐增加;（3）随着风速的增加,建筑物的背风侧出现了大涡且速度逐渐增大,背风侧的压力最小值逐渐减小。     

引水隧洞施工通风Euler-Lagrange两相流大涡模拟

目前,地下通风两相流研究主要集中在矿井巷道通风且研究多采用雷诺时均法,无法准确获取湍流瞬态信息以及尘粒在湍流脉动影响下的瞬时运移规律.本文基于分子动理学理论,建立考虑热交换的三维非稳态EulerLagrange两相流颗粒轨道大涡模型,实现了对引水隧洞施工通风两相流的大涡数值模拟,揭示了引水隧洞风流场瞬态发展机制及颗粒在大涡结构影响下的运移规律,并验证了模型的准确性.运用该模型模拟某水电站引水隧洞施工通风排尘过程,结果表明:大涡模拟能捕捉到湍流脉动细节,结果较雷诺时均法更接近实际;通风可有效降低工作面附近温度;颗粒分布由初始的颗粒簇逐渐弥散,最终对隧洞全断面造成污染;通风3,700,s后,绝大多数颗粒从隧洞出口排出.     

近床面风沙流的颗粒拟流体大涡模拟分析

通过气相大涡模拟与基于颗粒动理学理论的颗粒相湍流拟流体模型进行耦合,对近床面风沙气固两相三维运动进行了数值计算。相同来流风速下,对跃移层内沙相速度、沙相浓度及沙粒脉动均方根速度沿近床面高度变化进行了统计分析,对比了模拟参数结果与相关实验值之间的差异。结果表明:所建计算模型能较好地揭示近床面风沙流特性,低沙相浓度运动模拟中2种曵力系数模型计算得到的各个宏观参数统计量趋于一致;跃移层内沙相平均流向速度随近床面高度的增加呈递增趋势,沙相浓度随近床面高度的增加呈递减趋势,沙相流向脉动均方根速度在跃移底层呈现单一峰值状。模拟结果获得了与相关实验结论相类似的变化规律,得出准确选取沙粒碰撞弹性恢复系数是准确揭示沙相速度脉动强弱的关键。