方柱绕流横向驰振及涡致振动数值模拟

对Re=250下弹性支撑方柱绕流进行数值模拟.流场计算采用基于任意拉格朗日欧拉(ALE)描述的不可压流体N S方程,对流项与扩散项分别采用三阶迎风紧致格式与四阶紧致格式进行差分离散,利用分块耦合生成正交性较好的结构化网格,模型简化为弹簧阻尼质量系统,柱体运动采用经典龙格库塔方法求解.模拟了方柱的驰振和涡致振动,捕捉到了驰振到涡致振动的转变,捕获了涡致振动的“锁定”、“拍”、“相位开关”等现象.验证了该计算方法的可行性,计算结果为工程实际提供了依据.

分块法研究圆柱绕流升阻力

使用新的分块耦合方法,分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值模拟.对于单圆柱绕流,低Re下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近.对于串列双圆柱绕流,研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响,计算结果与实验非常吻合,为进一步研究涡致振动提供了依据.

狭窄通道内自推进鱼体游动的数值模拟研究

本研究数值模拟了狭窄通道内的三维自推进鱼体游动,其中鱼体摆动方向与上下壁面平行。研究发现,在相同雷诺数(Re)下,随着通道变窄(上下壁面间隙减小),鱼体游速增快,功耗降低。在较高雷诺数(Re=2600)下,本研究的壁面间隙范围内,功耗始终低于自由游动,而在较低雷诺数(Re=410)下与自由游动功耗相比,存在不同的间隙区间。进一步研究了Re数的影响,结果表明,相同通道高度下,随着Re数降低,鱼体游速降低,但始终高于自由游动,鱼体功耗提高,但始终低于自由游动。最后,为了探究其中的物理机制,分析了鱼体产生的涡旋结构和涡量场,发现壁面效应提高了尾流射流强度,从而增大游速和降低功耗。相反地,Re数下降导致尾流射流强度下降和模式改变,从而减小游速和提高功耗。

虚拟边界法研究正交双圆柱及串列双圆球绕流

把Goldstein等人提出的虚拟边界法推广到三维情况,研究了Re=150时不同间距下正交双圆柱绕流,和Re=250时不同间距下串列双圆球绕流流场.对于正交双圆柱绕流,当间距比大于3,下游圆柱对上游圆柱尾流的影响只限定在下游圆柱的尾流所扫过的范围之内;当间距比小于等于3,下游圆柱对上游圆柱尾流的影响扩大,下游圆柱尾流扫过区上下出现两排三维流向二次涡结构.对于串列圆球绕流,研究发现,在小间距比(L/D≈1.5)的情况下,由于上下游圆球尾流区的相互抑制消除了压力不稳定性,整个流场呈现稳态轴对称特征;间距比为2.0时,周向压力梯度诱发出流体的周向输运,流场呈现稳态非对称性,但流场中存在特定的对称面;间距比增大到2.5后,绕流场开始周期振荡,原有的对称面依旧存在;在间距比3.5时下游圆球下表面的涡结构强度有所减弱,导致占优频率发生交替;间距比增至7.0时,整个流场恢复稳态特征,两圆球尾部同时出现双线涡,这时流场对称面的位置发生了变动.

全被动式海流能量采集系统水动力学机理

采用计算流体力学方法研究基于振荡水翼的海流能量采集系统.该系统包含俯仰与升沉两自由度运动,升沉方向包含阻尼器,俯仰方向包含扭转弹簧,基于流致振荡的原理在均匀来流中形成周期性的能量采集状态.提出该能量采集系统的目的是为了缓解传统采集方式对海洋环境的破坏.在传统的基于旋转叶片的水轮机海流能量采集器中,高速旋转的叶片在叶尖形成高速流动,由此产生的噪音及高速流影响了海洋鱼类的迁徙.对转轴位置与弹簧刚度这2个参数进行研究.结果表明,在(b,kα)相空间中存在4种基本工作状态:1)水翼随着时间演化回到初始状态;2)周期性的俯仰与升沉运动;3)在0°角附近小幅度俯仰振荡而升沉方向沿某一方向漂移;4)由于不规则振荡及升沉方向的大位移,计算发散.其他结论包括:1)最大能量采集效率接近20%;2)与前人研究相比,能够在更大的参数范围内采集到稳定能量.

垂直交叉双圆柱绕流数值模拟及涡结构分析

用分块耦合方法数值模拟了垂直交叉双圆柱绕流 ,两圆柱间距为圆柱直径的 5倍 ,所取雷诺数为 2 0 0。在交叉结构的中心流场比较复杂 ,用λ2 方法准确地描述了其中的三维涡结构 ,发现上游圆柱规则的卡门涡街被下游圆柱截断成复杂的缠绕结构。与串列双圆柱相比 ,垂直交叉双圆柱绕流上下圆柱的升阻力特性、Strouhal数等都呈现出许多不同的特点 ,下游圆柱升力振幅小于上游圆柱 ,阻力平均值大于上游圆柱。

垂直交叉双圆柱绕流强迫振动数值模拟

采用虚拟体法数值模拟了平面单圆柱绕流强迫振动,以及空间垂直交叉双圆柱绕流下游圆柱强迫振动流场。验证了单圆柱强迫振动中的锁定状态以及相位突变现象,从而证实了该数值方法模拟振动流场的可靠性。研究了在雷诺数Re=150、间距为5倍圆柱直径、下游圆柱按正弦曲线振动时,对尾流场的影响。下游圆柱两端尾流场在振动的作用下,涡的横向间距增大,而中心尾流场由于受上游圆柱尾流的影响而保持原先的状态。下游圆柱在锁定区的振动使尾流场变得稳定,表现在流向二次涡结构的减少,以及尾流场的速度场频谱趋向单一化。

黏性非定常圆柱绕流的升阻力研究

对于单圆柱绕流问题,以前的分块耦合法一般将整个流场区域划分为八个子区域,同时每一子块的内部拟边界与相邻块重叠一层网格,且节点数一致,以便实现数据传递.这种分块方法紧贴圆柱面上也会有拟边界点,所以不利于以后的动网格计算.使用新的分块耦合求解方法来数值模拟单圆柱以及不同间距下的串列双圆柱绕流情况,克服了过去分块方法造成的边界附近的数值奇性问题.并将该方法扩展用于串列双圆柱绕流的数值模拟,研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响,为进一步研究涡致振动提供了依据.使用壁面涡量积分法计算升阻力系列化脉动,精确计算出了脉动周期和幅值,计算结果与实验数据符合较好.

圆柱绕流涡致振动的平面湍流数值模拟

为了研究工程中存在的湍流涡致振动问题，应用平面湍流κ-ε模型和重整化群κ-ε模型，结合分块耦合方法及任意拉格朗日欧拉法（ALE）数值模拟了圆柱绕流涡致振动，求解基于非交错网格系统，其中包含满足连续性方程的压力泊松方程解法．计算了湍动能、湍流耗散率、湍流黏性系数及柱面涡量的变化情况．结果表明，当雷诺数为5000～2×10^5时计算所得的阻力系数与实验数据吻合良好．研究发现，在涡致振动情况下的湍流耗散率比固定圆柱涡脱落情况下小得多，湍流黏性系数与雷诺数呈对数律增长．

圆球绕流场的尾涡分析和升阻力研究

采用自编的分块算法程序模拟了雷诺数在20～1000之间的圆球绕流场。在Re=25时捕捉到流动分离,与试验结果一致。对Re=250时稳态非对称尾流区内流体的输运情况进行研究,证实圆球绕流场中纵向对称面的存在。对于非稳态流动,主要研究了阻力和横向力的时间变化规律,并分析了频谱特征。计算发现横向合力主要在横截面上两个很窄的区间内偏移。经过几种不同涡定义方法的优劣测试,本文采用Hunt等人介绍的Q-定义方法对非稳态绕流场的尾涡结构进行了直观描述。

高速列车受电弓空气动力学对弓网受流的影响

为了研究高速列车弓网受流特性,考虑受电弓平均稳态与非稳态气动力影响,基于受电弓的非稳态空气动力学模型,采用均匀来流假设,运用计算流体力学(CFD)方法得到受电弓各部件的气动升阻力.将非稳态气动力时间平均,得到平均稳态气动力,并将具有一定脉动的受电弓非稳态气动力及平均稳态气动力分别加载至弓网动力学模型中,对比了2种气动力加载情形下弓网动力学.仿真结果表明:在受电弓三质量块模型下,受电弓平均稳态与非稳态空气动力学对弓网受流的影响差别不大.进一步从受电弓非稳态气动力激励的振幅与频率两方面研究了其对弓网受流的影响,当外部激励振幅较大或频率与弓网系统频率接近时,弓网受流特性会受到显著影响.研究结果为将来考虑非均匀来流、横风等复杂气动条件下的弓网受流特性研究提供了基础.

串列布置双转子海流机水动力性能预测

为了预测串列布置双转子海流机(MCT)的水动力性能,采用大涡模拟(LES)和Spalart-Allmaras(SA)单方程湍流模型对单转子海流机在设计工况下的流场进行模拟,分析单转子海流机的水动力性能,与实验结果进行对比验证.结果表明,LES大涡模拟和SA模型都能较好地预测海流机的水动力性能.采用LES方法研究串列布置双转子海流机的水动力性能,获得转子间距对海流机性能的影响规律.结果表明,对于该海流机,在5倍叶轮直径的间距内,处于下游海流机的性能受到较大影响,要保证串列布置的双转子海流机的输出性能,间距须达到30倍的叶轮直径.

双圆柱绕流诱发振动的数值模拟(Part I横向振动)

采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法数值模拟圆柱在尾流中的流体诱发振动特性。重点分析了圆柱的动力学响应特性,包括升阻力、位移振幅、拍和锁定等现象;另外也详细分析了圆柱的尾涡结构。研究结果表明,在串列下,大质量比时,圆柱的振动会受到抑制,小质量比时,圆柱的振动则会被放大;较之孤立柱的情形,圆柱共振发生在低于且接近于1.0的频率比带内且不易随质量比的变化发生偏移;小质量比下圆柱振幅及共振带都要比大质量比下的大得多;不同频率比和间距比下,圆柱的动力学特性存在明显的差异,相应的涡脱落模态呈现出2P、P+S和2S模态甚至是2P+S模态,各种模态之间互相竞争促进流固耦合的不断变化发展,导致涡间距和涡街宽度的变化。

基于沉浸边界法的二维拍动翼数值模拟

运用沉浸边界法对二维拍动翼流场进行了数值模拟,系统地分析了最大俯仰角、拍动频率和升沉俯仰运动的相位差等参数对拍动翼流场的影响。结果显示:当达到一定条件时,尾流出现反卡门涡街,使机翼得到正的推力而产生逆流前行的趋势。在本文的研究范围内发现,拍动翼的平均推力系数随最大俯仰角的增大先增大后减小,随着频率的增大而增大,同时,拍动翼的推进效率随最大俯仰角的增大而增大,随拍动频率的增大而减小,且当升沉俯仰运动的相位差在90°～100°之间时,存在着最大推进效率。本文所得结果为进一步研究鸟类飞行和鱼游等仿生力学提供了理论基础。

利用分区ALE算法数值模拟圆柱湍流涡致振动

用分区算法结合任意拉格朗日-欧拉法(ALE)数值模拟了圆柱湍流涡致振动。求解基于非交错网格系统,压力求解采用压力泊松方程提法,湍流模型采用标准k-ε模型和重整化群(RNG)k-ε模型。计算取中等雷诺数Re=5000、10000、15000、25000、50000等,质量系数M=10,阻尼系数ζ=0.00331,自振频率fn=0.18315、0.1628。计算结果表明:湍流涡致振动下圆柱时均阻力系数大于孤立圆柱绕流,而升力系数(振幅)值都小于孤立圆柱绕流。随着雷诺数增大,湍流粘性系数随之增大,但湍动能和湍流耗散率变化趋势不明显。对孤立圆柱绕流,研究结果与前人实验结果基本相符。

虚拟体法数值模拟双圆柱强迫振荡系统

用虚拟体方法研究了均匀流及尾流中圆柱横向振荡的流动特征。单圆柱结果与相关试验吻合,得到了“锁定”区域,发现涡量跳跃现象。对小间距双圆柱的数值模拟发现,在“锁定”区域附近随激励频率的增加流场特征会出现若干显著的变化,包括涡量的跳跃,涡模态的改变,正负涡量带的形成和消失。在大间距情况下发现下游圆柱的振荡对上游尾涡脱落没有明显的影响,下游圆柱尾流场没有发现“锁定”现象。

下游圆柱涡致振动的升阻力特性及涡脱落模态分析

采用分块耦合方法结合任意拉格朗日-欧拉法数值求解非定常二维不可压缩N-S方程和Poisson方程,分析了下游圆柱涡致振动的涡脱落模态以及升阻力特性.圆柱振荡频率比值为0.30～1.49.分析了各种模态之间相互转化的跃迁点、升力与振幅间相位和模态间转化的关系,以及初始涡量形成的差异与模态间转化的关系,研究了当涡脱落向下游移动时的演化和重组现象.研究发现,涡的横向和流向间距以及涡街的大小随频率比的变化而变化;存在3种典型的涡脱落模态, 即2P、2S 和 P+S模态,各种模态之间相互竞争从而促进了流体与结构间相互作用的发展.

前鼻腔狭窄手术干预的数值模拟研究

目的建立前鼻腔狭窄患者鼻腔的CFD模型,分析前鼻腔狭窄患者鼻腔吸气相气流动力学特征,并且在通过手术方式恢复正常鼻腔形态结构后,对比术前术后气流流场的改变情况,评估手术对鼻腔通气生理功能的影响及手术疗效。方法26例外伤性前鼻腔狭窄患者,其中一例为双侧前鼻腔狭窄,建立CFD模型,在Fluent软件中模拟并分析平稳吸气相鼻腔的流场特征,并对其中患者的术前术后鼻腔流场变化信息进行对比分析。结果 26例前鼻腔狭窄患者鼻腔的狭窄部位均发生于鼻腔最为狭窄的鼻瓣区,截面积在术前平均为0.40±0.16cm^2,术后为0.78±0.18cm^2,显示有统计学差异性(P<0.01);狭窄侧鼻腔鼻瓣区有较高的气流流速(平均6.5±2.31m/s),手术增大了鼻瓣区截面积的同时也使得该区域术后的气流流速明显下降(平均2.92±0.86m/s),显示有统计学差异性(P<0.01);吸气相气流压强和速度的梯度分布显示,手术恢复了鼻瓣区鼻腔结构对称性的同时,狭窄侧鼻腔鼻阻力下降(术前的0.26±0.136Pa.s/mL,术后的0.116±0.075Pa.s/mL,显示有统计学差异性P<0.01)。结论通过对前鼻腔狭窄患者鼻腔结构及术后的鼻腔结构CFD数值模拟分析,具体客观地认识到前鼻腔狭窄患者鼻腔内气流分布状况以及手术对鼻腔结构和气流场的影响,手术恢复了双侧鼻腔鼻瓣区结构对称性的同时,获得了双侧鼻腔的对称的气流分布,狭窄侧鼻阻力下降,手术能有效改善鼻瓣区的狭窄异常不仅是降低鼻阻力不可或缺的,而且也是评估手术疗效好坏的关键。

DTMB 4119螺旋桨噪声特性的数值模拟

将DTMB 4119型螺旋桨作为研究对象,在敞水和伴流条件下分别计算水动力学特性和非空化噪声声压级.在多个进速系数下对单桨模型的敞水性能展开验证,与文献实验值比对验证准确性后,引入FW-H声类比方程求解监测点声压及频谱.结果表明,现有模型可以在多个进速系数下取得较吻合的数值结果;单极子和偶极子噪声频谱在低频段出现显著高于宽带的线谱噪声,频率与桨叶BPF及谐波对应.在轴向平面内,单极子噪声声压级呈现出8字形的分布特征,偶极子噪声声压级呈现出∞型的指向性分布.伴流场不会改变单、偶极子总声压级的指向性,但会使得各方向线谱噪声声压级趋于均匀.在径向平面内,单、偶极子的噪声声压级指向性不明显.

不锈钢控制棒离子渗氮外观色差改善技术研究

不锈钢控制棒离子渗氮后,表面形成了具有耐腐蚀、耐磨的渗氮层,但渗氮后的外观颜色存在色差。对有色差渗氮管进行渗氮层厚度、硬化层深度、硬度沿深度的变化及池内抗腐蚀性能试验,验证了渗氮后外观色差对渗氮层厚度和性能没有影响。通过对混气罐以及炉内气体介质的混合均匀度进行模拟分析,重新设计制作新的混气罐,减小了渗氮管的外观色差。