基于结构化多孔表面定常吸气的圆柱绕流场控制

通过风洞试验研究了在雷诺数为10000时圆柱尾流主动流动控制效果,流动控制通过基于结构化多孔表面定常吸气实现,试验工况具有不同的等效吸气系数C_μ。尾流的二维流场测量通过粒子图像测速(PIV)实现,在瞬时流场结果的基础上进行本征正交分解(POD)得到模态特性、瞬时涡量演变、脉动速度功率谱、时间平均流动特性和阻力系数估计等的分析与对比,评估流动控制效果。试验结果表明:施加流动控制后的流场POD模态能量分布发生变化,旋涡的顺流向能量输运过程得到增强,当C_μ足够大时,旋涡脱落模式发生改变。剪切层沿顺流向延长,上下剪切层之间趋于平行,涡量值得到削弱。脉动速度的主频被削弱,湍流的波动和动量交换效应得到抑制;阻力系数估计值可降至无控圆柱的约11%。

亚临界雷诺数下椭圆柱绕流特性

研究了亚临界雷诺数下不同长短轴比(axial ratio,AR)下的圆柱绕流特性.通过数值模拟研究了亚临界雷诺数Re=3.9×10^(3)、5.0×10^(3)、6.0×10^(3)、8.0×10^(3)、10.0×10^(3),AR=0.1-1.6的二维椭圆柱绕流的升力系数、阻力系数以及St数的变化趋势,并结合涡量云图及压力系数分布特征分析了流动特性变化的原因.分析结果表明,在亚临界雷诺数下,不同雷诺数的最大升力系数CL.m均呈现随着AR增大而先增大后减小的趋势,并在AR=0.7时达到最大值.不同雷诺数的St数变化趋势基本一致,总体呈现上升趋势.平均阻力系数以AR=0.7的情况为临界,呈现出两种不同的变化趋势.研究结果可为基于压电构型的流致振动俘能装置的优化设计提供指导.

分流板对圆柱绕流湍流结构演化影响的实验研究

采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术实验研究了带分流板的圆柱绕流流动特性,分析了分流板对圆柱绕流湍流结构演化特性的影响。雷诺数为3.9×10^(3),分流板长度L与圆柱直径D之比L/D为0~2.50。实验结果表明,随着L/D从0增大至1.00,圆柱后方回流区长度和回流区面积显著增大;当L/D>1.00时,L/D对圆柱后方回流特性的影响较小。分流板影响圆柱绕流湍流结构的演化特性:当L/D<1.00时,分流板抑制尾涡脱落,斯特劳哈尔数Sr减小,L/D从0增大至1.00,Sr减小了26.34%。此外,圆柱尾涡在分流板后缘诱导形成旋转方向相反的二次涡,二次涡沿分流板向上游运动。1.00≤L/D<2.00时,分流板作用于圆柱尾涡,尾涡发生破碎,形成一些小尺度尾涡。L/D≥2.00时,尾涡附着于分流板上,二次涡主要分布于圆柱后方。随着L/D增大,分流板减小了圆柱后方的湍流脉动强度。

亚临界区圆柱绕流相干结构壁面模化混合RANS/LES模型

本文发展了一种具有壁面模化大涡模拟能力的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)和大涡模拟(LES)方法的混合模型(简称WM-HRL模型),致力于对亚临界区雷诺数钝体绕流相干结构这类复杂流动现象进行高置信度的CFD解析模拟研究.该方法通过一个仅与当地网格空间分布尺寸有关的湍动能解析度指标参数rk即可实现从RANS到LES的无缝快速转换,并且RANS/LES混合转换区的边界位置及其各个分区(包括RANS区、LES区及RANS/LES混合转换区)对湍动能的解析能力均可通过两个指标参数nrk1-Q和nrk2-Q准则进行预先设定.通过对雷诺数Re=3900下圆柱绕流场的系列数值模拟研究,获得了能够高置信度解析并捕捉其绕流场中三维时空瞬态发展相干结构特性的湍动能解析度指标参数nrk1-Q和nrk2-Q准则的组合条件.研究表明,该WM-HRL模型不仅能够准确获取圆柱绕流场中剪切层小尺度K-H不稳定性结构的精细谱结构,而且在同一套网格系统下通过变化湍动能解析度指标参数nrk2-Q和nrk1-Q准则的组合条件,还可以精细解析圆柱绕流场中两类不同回流区的长度结构特征,及其对应的圆柱尾部近壁面处V和U形两个平均流向速度剖面的分支结构特性.

基于γ-Re_(θt)转捩模型的高雷诺数旋转圆柱绕流数值研究

采用γ-Re_(θt)转捩模型对高雷诺数下旋转圆柱绕流的壁面边界层的流动特征以及边界层的转捩现象进行数值模拟,用Re=5.0×10^(3)时的旋转圆柱绕流问题作为算例与直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)的结果进行了对比,验证了γ-Re_(θt)转捩模型在模拟旋转圆柱绕流问题方面的准确性。然后分别对亚临界区、临界区和超临界区的旋转圆柱绕流问题进行数值模拟,分析了不同雷诺数和不同相对转速下旋转圆柱绕流的近壁面流动特征及表面时均压力系数、时均摩擦力系数,总结了圆柱表面绕流转捩位置相对转速的变化规律。结果表明,当自由来流雷诺数一定时,圆柱下表面来流与线速度方向一致处的转捩点随相对转速的增加而后移,圆柱上表面来流与线速度方向相反处的转捩点随相对转速的增加而前移。圆柱上表面来流与线速度方向相反处的流动分离是由于壁面黏性摩擦和逆压梯度共同作用下导致动能下降的结果,并且壁面的运动方向与主流方向相反更加剧了黏性摩擦对动能的耗散。圆柱下表面来流与线速度方向一致处的流动分离是由于背风面的逆压梯度致使壁面附近流体无法继续跟随壁面运动而产生回流的结果。

网格拓扑对圆柱绕流计算的影响研究

使用DDES湍流模型对流动复杂的亚临界雷诺数(Re=3900)圆柱绕流进行数值计算,重点从模型尺度调控、湍流结构捕捉能力及流场统计积分量等方面分析了不同网格拓扑对大分离流动求解精度的影响规律。计算结果表明:使用H型、C型网格拓扑及在远场设置非结构网格时,流场表现出良好的湍流谱生成能力,捕捉到较多的高频-小尺度涡结构,同时计算的阻力系数、回流区长度等物理量与实验值拟合较好;O型网格拓扑流场耗散较大,计算精度相对较低。计算效率与网格数量呈线性关系,但计算精度与网格数量不一定正相关,工程计算中应合理选择兼顾计算精度及效率的网格划分方式。

粘弹性圆柱绕流场的稀疏化动态模态分解方法

为研究粘弹性圆柱绕流涡团时空演化特征及状态,给出动态模态分解和稀疏促进优化相结合的流动关键模态分析方法(sparsity promoting dynamic mode decomposition,SP-DMD)。粘弹性圆柱绕流的数值模拟结果表明:利用SP-DMD方法所得到的模态不仅可以将原始流场的整体流动形态重现,而且能够较好地刻画出较大尺度的局部流场结构。与传统动态模态分解方法相比,SP-DMD能够识别和提取出具有稳定状态的粘弹性流场结构信息。该方法可为研究弹性诱导的复杂粘弹性流体流场特性提供良好参考。

不同雷诺数下圆柱绕流流动特性数值模拟

通过使用Fluent软件对雷诺数在100~700范围内的圆柱绕流进行数值模拟,通过对比尾流速度分布,揭示了不同雷诺数下圆柱绕流的流动规律。此外,在相同雷诺数下对不同流体绕流圆柱所得阻力系数进行对比讨论,将数值模拟所得不同雷诺数下涡脱落周期与通过斯特劳哈尔数公式计算得出的涡脱落周期进行误差分析,验证了Fluent数值模拟的准确性。

基于孔板的圆柱绕流减阻降载研究

流体绕过海洋立管后,会在其下游产生交替脱落的漩涡。因此海洋立管将周期性地承受平行来流方向的阻力和垂直来流方向的升力。这种疲劳载荷会对海洋立管及其支撑系统造成结构损伤或增大结构成本。本文在海洋立管表面附加基于孔板的结构物,以减缓漩涡脱落及其导致的疲劳载荷。使用基于SST k-ω湍流模型的计算流体力学方法对基于孔板的表面附加结构物的圆柱绕流进行数值模拟。通过分析一系列阻力系数、升力系数、流场压强分布和涡量分布,研究在雷诺数为2×10^(4)时,基于孔板的表面附加结构物对圆柱绕流特性的影响。结果发现这种基于孔板的表面附加结构物,能够明显减小漩涡脱落对海洋立管产生的作用,从而减小阻力、减弱升力波动,显著起到对海洋立管减阻降载的效果。

不同SST模型在圆柱绕流仿真中的应用比较

分别运用SST、SST-SAS湍流模型对Re=3 900的圆柱绕流进行了数值研究,重点从湍流结构捕捉、气动力计算等方面比较了雷诺平均RANS方法与RANS/LES混合方法的计算能力。数值结果表明:SST模型可以捕捉到流场主要特征,求解效率较高;SAS方法可以捕捉到流场小涡结构,并能较好地反映出尾迹非定常特性,但SAS求解占用更多的资源;使用SAS方法可释放更多的流场信息,求解的阻力系数、分离角等关键气动特征参数与试验值更接近;一般工程计算中推荐使用SST模型,高精度计算可使用SAS方法。

网格拓扑对圆柱绕流计算的影响研究

使用DDES湍流模型(Delayed Detached-Eddy Simulation)对流动复杂的亚临界雷诺数(Re=3900)圆柱绕流进行了数值计算,重点从模型尺度调控、湍流结构捕捉能力及流场统计积分量等方面分析了不同网格拓扑对大分离流动求解精度的影响规律。计算结果表明:使用H型、C型网格拓扑及在远场设置非结构网格时,流场表现出良好的湍流谱生成能力,捕捉到较多的高频-小尺度涡结构,同时计算的阻力系数值、回流区长度等物理量与实验值拟合较好;O型网格拓扑流场耗散较大,计算精度相对较低。

混合网格对圆柱绕流计算的影响研究

设置不同网格条件,使用DDES湍流模型对流动复杂的亚临界雷诺数(Re=3900)圆柱绕流进行了数值计算,重点从模型尺度调控、湍流结构捕捉能力及流场统计积分量等方面分析了不同结构/非结构混合方法对大分离流动求解精度的影响规律。计算结果表明:在远场设置非结构网格时,流场表现出良好的湍流谱生成能力,捕捉到较多的高频-小尺度涡结构,同时计算的阻力系数值、回流区长度等物理量与实验值拟合较好;在分离区域使用非结构网格时流场耗散较大,计算精度相对较低。

应用PIV系统研究横流中近壁水平圆柱绕流旋涡特性

应用粒子图像测速(PIV)系统对横流中近壁水平圆柱绕流进行了试验研究。介绍了试验原理及装置,讨论了试验参数的选取和粒子的跟随性问题。分析了上游来流的流动特性,显示了亚临界雷诺数下间隙比为0.5时圆柱后尾流区旋涡产生、发展和消亡的动态过程,比较了时均流场和瞬时流场旋涡结构。对圆柱尾迹的旋涡脱落特性进行了分析,得出在试验条件下斯特劳哈尔数保持为常数0.2的结论。

基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟

该文采用计算流体软件CFX5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性。使用有限体积法对三维N-S方程进行求解。数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性。数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性。

圆柱绕流流场结构的大涡模拟研究

为进一步揭示绕流现象的形成机理,本文分别对处于层流稳态区、尾流过渡区、剪切层转换区Re分别为26、200、1.4×105的三种典型流态下的单圆柱绕流进行了二维数值模拟研究。Re为26时应用层流模型直接求解N-S方程,而Re分别为200、1.4×105时使用大涡模拟的方法进行计算。数值模拟很好地再现了稳定的涡旋结构、周期性交替脱落的卡门涡街结构、不规则的涡旋结构,在此基础上分析了尾流结构的基本特征及其压强分布规律、平均的流场特性、积分参数(如升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔等),并与有关研究成果进行了对比。研究发现,采用不同流动介质时流场特性有所差异,空气为介质时的计算结果更符合实验的成果,而水为介质时计算结果偏差较大,这主要是由尾流涡旋产生的不合理负压造成的。

气固两相圆柱绕流近场特性的实验研究

采用PIV实验技术对气固两相圆柱绕流的近场特性进行了研究。通过对图像进行数据处理,发现Stokes数为0.97的颗粒与涡结构的相互作用最为强烈,在尾迹中心区流向平均速度较低,且变化幅度较大,但脉动速度和湍动能较高。而较大Stokes数的颗粒不易受涡结构的影响,流向平均速度在尾迹中心区的分布也较平缓,但脉动速度和湍动能在两侧的剪切层区较高。各种颗粒在圆柱绕流回流区的脉动速度和湍动能都要高于近尾迹区的相应值,这为颗粒的混合和稳定燃烧等提供了有利的条件。

两自由度运动圆柱绕流的离散涡方法模拟

应用离散涡数值方法(Discrete Vortex Method,DVM)对弹性支承的二维圆柱绕流的涡激振动(VIV)问题进行数值模拟,研究单自由度横向运动系统、两自由度系统横向和流向耦合运动这两种模型的计算结果,得到了不同质量比、不同折合速度下的尾涡形状、受力系数和圆柱响应曲线,并分别提取了单自由度和两自由度两种模型所得到的横向振幅进行对比。总结出受质量比和自由度数影响的圆柱响应的变化规律,证实了锁定lock-in现象的发生过程。通过与实验结果的对比,验证了计算结果较为合理和可靠,说明离散涡方法是研究涡激振动问题的有效手段,并且它能够适应高雷诺数下的计算,并且认为圆柱的流向运动对涡激振动起着促进作用,在数值模拟中是应当予以重视的。计算过程采用FORTRAN语言编程实现。

亚临界雷诺数圆柱绕流远场气动噪声实验研究

针对亚临界雷诺数下圆柱绕流的气动噪声问题,在北京航空航天大学D5气动声学风洞中进行了圆柱绕流远场气动噪声的实验研究。在D5气动声学风洞实验段不同来流条件下,测量消声室中距离圆柱不同位置的自由场传声器的远场声压信号,经过快速傅里叶变换(FFT)获得亚临界雷诺数下圆柱绕流气动噪声随来流速度、接收点距离的变化规律。实验结果表明:圆柱绕流的远场气动噪声在垂直气流方向最大,随着偏离垂直方向角度的增大噪声逐渐减小,属于典型的偶极子噪声源辐射特性;远场气动噪声近似与来流速度的6次方成正比,与接收点到圆柱中心距离的2次方成反比,这说明偶极子类型的噪声源是圆柱绕流的主要噪声源。

动力学模态分解和本征正交分解对圆柱绕流稳定性的分析

对雷诺数Re=100下的圆柱绕流非定常流场进行数值模拟,分别采用DMD方法和POD方法对圆柱绕流卡门涡街发展过程中的不稳定平衡阶段、过渡阶段以及稳定极限环阶段进行稳定性分析。分析结果表明:DMD方法准确地提取了不稳定平衡阶段和过渡阶段中的不稳定模态以及频率,在稳定极限环阶段准确提取了脱落涡模态及其高阶谐波模态和频率。DMD方法不仅可以高效提取主要流场结构模态和频率,且可分析相应模态的稳定性,从而得到动力学系统在时间和空间上的主要特征。POD方法中较少的模态包含流场绝大部分的能量,通过对模态系数进行FFT分析,可得到模态频率,但有时会存在多个频率耦合的模态,且POD方法无法判断所提取模态的稳定性,因此,POD方法主要得到的是动力学系统在空间上的主要特征。另外,DMD方法对流动类型范围的适用性更广。因此,在对复杂动力学系统进行稳定性分析时,DMD方法更具有优势。

气固两相圆柱绕流的直接数值模拟

本文运用谱元方法对气固两相圆柱绕流进行了直接数值模拟。在获得高精度计算流场信息基础上,进行颗粒扩散运动的研究。通过研究颗粒大小对颗粒扩散运动的影响来刻画气固两相圆柱绕流的物理特征。研究时发现,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在流场中心轴线附近区域的扩散机理主要是决定于吸力作用,该作用会驱使小颗粒卷吸进入圆柱尾部近壁区,甚至与圆柱后壁发生碰撞,这种扩散机理与混合层中颗粒扩散机理明显不同。