亚临界雷诺数下圆柱体尾流结构的数值模拟

在典型亚临界雷诺数下,运用基于Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟(LES)方法,对均匀来流作用下的圆柱体绕流问题进行三维数值模拟.通过比较基于时间积分的平均积分分量,验证了数值计算结果的准确性,然后分析了尾流区的流场结构,并给出了平均流场以及湍流流场的流场特征.此外,解释了数值结果与早期试验结果间存在微小差异的原因,同时指出回转长度是尾流结构特性中最重要的特征参数.

典型汽车尾流结构的研究

本文通过对车身周围流态的烟流流态显示试验、尾流的速度和总压测定试验,研究了典型车型的尾流结构及其对空气动力特性的影响。

阶背车尾流结构的数值模拟分析

尾流结构对高速行驶车辆的经济性、操纵稳定性和安全性存在直接影响。建立典型阶背车仿真模型,在计算区域内进行网格划分,为提高分析精度对模型尾部进行网格加密。采用计算精度和稳定性较高k-ε标准双方程模型,对流项采用三阶迎风格式离散,压力速度耦合采用SIMPLE方法。对相同尺寸的实体缩尺模型进行风洞试验研究,结果表明:经过模型上表面气流在后视窗前缘发生分离,部分气流在后视窗与行李厢盖板之间的区域内形成回流,部分气流在行李厢盖上再附着并分离脱落;在压差作用下分离流与来自模型两侧的气流共同形成旋向相反的尾部涡流,随着距离的增加旋度逐渐减小,并在距模型尾部三倍车身长度附近涡流基本消失。

航行体沾湿区域对空泡尾流结构的影响

为研究航行体沾湿区域对通气超空泡尾流结构的影响,利用计算流体力学方法对超空泡航行体改变攻角过程中沾湿区域和空泡尾部涡量的非定常变化进行数值模拟。通过分析空泡尾部流场压力及涡量的变化,揭示了空泡尾部不同流动结构的转变机理。结果表明:在低弗劳德数条件下,空泡尾部双涡管的上下方存在高压区,受环境压力差的影响,下方压力大于上方,空泡双涡管之间的流动方向向上,形成一对中心上卷的双涡;随着航行体攻角的不断增大,沾湿区域使空泡形成了三涡管尾流结构,涡管下方高压区的压力比上方低,空泡下方双涡管之间的流动方向向下,形成一对中心下卷的双涡;空泡尾部双涡管到三涡管过渡过程中,空泡尾部上下方的压力及流速大小发生交替改变,从而形成了四涡管尾流结构。

折背式轿车尾流结构研究

轿车的气动阻力对轿车的燃油经济性有着重要影响 .对于折背式轿车 ,由尾部产生的气动阻力可占整个外形气动阻力的 5 0 % .因此 ,弄清折背式轿车的尾流结构对开发具有良好气动特性的新型轿车有重要意义 .利用风洞试验和CFD(ComputationalFluidDynamics)技术相结合 ,分析了折背式轿车的尾流结构及尾部形状对尾流结构的影响 ,为设计具有良好气动特性的折背式轿车提供了依据 .

红旗轿车尾流结构特性的研究

通过在ＦＤ１０风洞用热线风速仪及激光流态显示对红旗ＣＡ７７４轿车的尾迹和速度分布测定的实验研究，揭示了汽车的尾流结构，诊断了阻力来源。研究结果为建立汽车三维分离流的动态仿真理论模型提供了依据。

基于LBM方法的风力发电机尾流结构仿真

针对传统CFD数值计算方法难以实现风力机动态旋转及其旋转状态下的流固耦合计算,本文结合格子玻尔兹曼(LBM)方法易于处理动态复杂边界的特点及大涡模拟(LES)方法在非稳态涡流结构捕捉上的优势,采用LBM-LES联合方法进行三维风力发电机整机气动性能及尾流结构仿真研究,同时采用尺度自适应方法对尾涡结构进行跟踪和精细化计算。针对NREL PhaseⅥ型试验机进行模拟,得到了与实验结果吻合的流动形态及尾流结构演变规律,分析了尾流区速度演变规律并对比了不同亚格子湍流模型对计算结果的影响.

采用新的结构—尾流反作用力耦合模型分析圆柱结构涡激共振

该文建立了一个新的结构—与尾流振子流固耦合模型。采用具有非线性阻尼的振子来模化、vanderpol方程来描述流场近尾迹动力学。以结构与流体的受力互为反作用力的关系,建立了新的流固耦合模型。使用该文的模型对二维结构涡激振动问题进行研究,能很好地预计结构涡激共振的特性。计算结果表明,结构共振的最大振幅Am*ax随着结构的SG数和质量阻尼参数(m*+CA)ζ的增大而减小,与实验结果规律一致、数值吻合。根据该文的模型计算结果给出了预测共振振幅Am*ax值的拟合公式,并给出了共振情况下升力、相位等的变化规律。

采用新的结构—尾流反作用力耦合模型分析圆柱结构涡激共振

该文建立了一个新的结构—与尾流振子流固耦合模型。采用具有非线性阻尼的振子来模化、vanderpol方程来描述流场近尾迹动力学。以结构与流体的受力互为反作用力的关系,建立了新的流固耦合模型。使用该文的模型对二维结构涡激振动问题进行研究,能很好地预计结构涡激共振的特性。计算结果表明,结构共振的最大振幅Am＊ax随着结构的SG数和质量阻尼参数（m＊＋CA）ζ的增大而减小,与实验结果规律一致、数值吻合。根据该文的模型计算结果给出了预测共振振幅Am＊ax值的拟合公式,并给出了共振情况下升力、相位等的变化规律。

结构-尾流振子耦合模型参数识别及桥梁涡激振动预测

为准确预测桥梁涡激振动特征,基于结构-尾流振子耦合模型涡激振动预测方法,分析其动力方程及近似解,针对目前结构-尾流振子耦合模型中较难确定的模型参数(质量参数M、流场“stall”效应参数γ、结构对尾流作用的耦合项参数A和范德珀尔参数ε),提出了基于涡激振动风速~振幅曲线的模型参数识别方法。开展某主梁节段模型风洞试验,依据其实测涡振曲线,采用该方法识别模型参数,并预测不同阻尼比的桥梁涡激振动特征。结果表明:近似解精度与ε相关,ε越小,精度越高;ε越小,提出的模型参数识别方法越能准确识别模型参数;基于风洞试验实测涡激振动风速~振幅曲线识别的结构-尾流振子耦合模型可有效地预测桥梁涡激振动特征。

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。

水平槽道近壁面附近颗粒尾流特性的高分辨率PIV实验研究

采用PIV测量方法,对不同雷诺数下球形颗粒的尾流特性进行了研究。实验中颗粒是10mm的不锈钢球,距壁面高度G/D(28)0、0.25、0.5和1.0,Rep(28)900、2500和5000,气相示踪粒子为峰值粒径2.5?m的雾化液滴。通过对实验得到的瞬态速度场进行分析,得到时均流线图和速度场。结果表明,G/D(28)0时,整体涡脱落强度明显减小,颗粒下部的漩涡脱落完全被抑制,在颗粒尾部形成一个顺时针回流区,大小约为颗粒尺寸的1.5倍。0.25?G/D?0.5时,壁面的存在使得颗粒尾流结构出现了不对称,呈一定的角度向上倾斜。随着颗粒与壁面距离的增加,壁面对颗粒尾流的影响减弱,在颗粒后缘会出现一对回流区,上方呈顺时针旋转,而下方呈逆时针,且回流区的长度先减小后增大。

轿车尾流移测试验研究

轿车的尾流结构与其空气阻力、升力与安全性有密切联系 ,为进一步研究轿车尾流结构及验证尾流场数值模拟结果的精确性提供依据 ,需通过试验得到较为全面地反映尾流结构的定量信息。为此 ,进行了红旗CA774轿车 1 10模型的七孔探针尾流移测试验 。

高阻尼高雷诺数下串列双圆柱尾流激振数值研究

流激振动水流动能转换装置多柱体阵列涉及复杂的尾流激振问题,其运行时柱体振动具有高阻尼、高雷诺数特征.基于雷诺平均Navier-Stokes方程,结合SST k - ω 湍流模型和任意拉格朗日-欧拉流固耦合动网格控制方法建立串列双圆柱尾流激振数值模型,重点考察小间距比(两圆柱中心距离与圆柱外径之比)、 高阻尼、高雷诺数条件下串列双圆柱的尾流激振特性.计算时间距比分别为1.5、2、3、4、20,振动圆柱阻尼比为0.12,雷诺数范围为 17 000~98 000.结果表明,不同间距条件下下游圆柱振动表现为驰振、分离的涡激振动-驰振、涡激振动等不同的振动特性,振动特性的不同与上游圆柱后面的尾流形态及其剪切层重附于下游圆柱的方式密切相关,间距比为1.5、2时上游圆柱分离出来的剪切层交互式地重附于下游圆柱,使下游圆柱振动表现为驰振;间距比为3、4时下游圆柱振动表现为分离的涡激振动-驰振振动形式,此振动形式的出现与恒定式的剪切层重附方式或剪切层未发生卷曲有关.

离心泵尾流-射流现象及粗糙度对其影响的分析

为减小叶轮内的流动损失,结合计算流体力学、壁面函数法和等效沙粒粗糙度模型,研究了离心泵叶轮流道内的尾流-射流现象及其受粗糙度的影响规律。对比试验和数值模拟结果,确保了所选计算方法和湍流模型(RNG k-ε模型)能够准确反映内流场的变化。研究表明:在叶轮流道内相对速度W的分布存在明显的尾流-射流规律,且吸力边后盖板附近的边界层厚度较大,尾流区主要在吸力边后盖板附近;在叶轮出口处,尾流区则出现在吸力边的前盖板附近。粗糙度对叶轮流道内湍流的影响较大,对压力边和吸力边相对速度的影响相反。粗糙度对内部流动的影响存在一个过渡值,当粗糙度大于此值时,粗糙度对流动的影响与粗糙度小于此值时相反。随着粗糙度的增加,叶轮出口处相对速度波动的振幅增加。

不同侧风角作用下Ahmed模型空气动力学特性分析

通过3种数值模拟方法的对比分析,得到最优的模拟方案,故采用分离涡方法对Ahmed模型气动特性进行研究,分析了不同侧风角对钝体尾流的涡量、湍流强度、压力及流线的分布规律的影响,得到了力和力矩系数的变化特征,总结了尾流倾斜角度随侧风角变化的综合公式。研究结果表明,侧风角对钝体尾流特征参数影响不是单调的,在侧风角为30°时钝体尾部涡量最大;钝体尾流倾斜角度与气动力系数随侧风角的增大而增大;侧风角50°时的钝体背部迎风侧压力和头部平均速度也达到最大值。研究结果可以为复杂横向来流条件下汽车运行的安全性和稳定性提供一定依据。

25°Ahmed模型射流主动控制气动减阻策略

采用剪切应力输送(SST)κ-ω(湍动能-比耗散率)湍流模型对标准25°Ahmed模型进行基于计算流体力学(CFD)数值模拟的稳态射流减阻研究.在模型尾部设置射流孔,分别探究各位置处射流孔的孔径、到边线的距离、形状、射流速度和角度的最佳值,分析不同射流状态对流场结构、总阻力系数及局部阻力系数的影响.仿真的基本工况与风洞实验数据一致性很好,验证所采用数值方法的准确性和可靠性.研究结果表明,与未设置射流孔的模型相比,设置射流方案的模型尾流结构得以改善,纵向涡得以抑制,同时其阻力系数明显降低.单独位置布置射流孔方案中在斜面上方进行射流时,阻力系数最低,为0.252 2,减阻率为11.3%.通过正交试验获得最佳组合方案得到阻力系数0.246 7,减阻率达13.23%.

高雷诺数下方柱绕流特性的数值模拟

为研究高雷诺数为22 000下方柱周围流场形态及气动力特性,基于开源计算流体动力学(computational fluid dynamic,CFD)软件Open Foam平台,采用基于动态亚格子模型的大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法,对均匀来流作用下的方柱绕流进行了三维数值模拟.首先,通过对基于时间积分的平均积分分量的比较,验证了本数值计算的准确性;其次,深入分析了方柱周围及其尾流区的流场结构,给出了流场结构的平均和湍流特征,并在此基础上,研究了其气动力特性;最后,分析了两种长径比下表面压力的展向空间相关性.研究结果表明:雷诺数为22 000下方柱尾流区回转长度为1.37倍方柱宽度,Strouhal数为0.121,脉动升力系数为1.40;展向长度取8倍方柱宽度可更准确地获得周围湍流特性.

中等雷诺数圆球绕流的数值研究

采用三维黏性不可压缩流场分块耦合计算方法计算圆球绕流问题.动量方程分别采用高精度和常规精度离散,压力泊松方程采用二阶中心差分格式离散.出口边界条件为无反射边界条件;计算网格为全流场封闭的H-O型网格.计算了雷诺数为8.9～1000.0时圆球绕流受到的阻力,分析尾涡形状及长度随雷诺数的变化规律.计算得到的阻力系数和尾涡长度与实验结果符合较好.用高精度算法研究了尾涡结构问题,在雷诺数为1000.0时成功地获得了尾流发夹涡现象.

车尾造型对凹坑型非光滑车身气动减阻的影响

将凹坑型非光滑表面布置在MIRA直背式、斜背式、阶梯背式3种模型的尾部,分析了3种不同车型的尾流结构,研究不同的汽车尾部造型对非光滑车身气动减阻的影响。通过对模型外部流场的数值计算,比较光滑模型和非光滑模型尾部流场、压力、湍动能等参数,对比不同尾部造型非光滑表面流场差异,分析非光滑表面气动减阻的机理,解释不同车尾造型减阻率差异的原因,为进一步研究车身非光滑表面气动减阻效果提供理论依据。