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。

新型辐照容器内部流场及温度场数值计算

辐照容器属于核级设备辐照鉴定试验装置的一个重要组成部件,是承载需要辐照的1E级设备的压力容器。针对新型辐照容器,采用ANSYS软件对容器内部流场及温度场进行了数值计算,研究了在实际工况下,辐照容器不同截面位置的温度分布和气流运动轨迹,以及分流板对温度分布和气流运动的影响,并经由试验验证了模拟结论。结果表明:增加分流板的辐照容器内部温度分布和气流运动更均匀,气流运动轨迹更集中于中间区域;内部温度分布更均衡,温差在5K以内,为新型辐照容器的设计提供了理论依据。

圆柱-分离盘结构的流致旋摆响应数值研究

利用数值模拟手段研究了圆柱-分离盘结构的流致旋摆响应,分析了雷诺数Re、分离盘长度比L/D对结构旋摆响应、流场特性及水动力系数的影响。结果表明:分岔现象出现在绝大多数工况下,分岔向不分岔过渡的临界雷诺数与盘长有关,分离盘越长,此临界雷诺数越大。旋摆平衡角随雷诺数的增大先增加,后基本维持不变;分离盘越短,旋摆平衡角越大。结构摆幅随雷诺数增大先保持为零,后快速增大,最后缓慢增大或基本不变;分离盘越长,结构摆幅越大,摆幅不为零的起始雷诺数也越大。结构摆动频率主要受雷诺数影响,二者呈正相关关系。结构发生分岔并在平衡位置大幅摆动时,一个旋摆周期内在盘尖端和下侧各脱落一个旋涡,而在盘上侧由于边界层再附着存在一个滞止涡,形成回流区。发生分岔但结构基本静止时,分离盘上侧、盘尖端及盘下侧存在稳定的、尺度不一的回流区。不发生分岔时,两个相同的回流区对称分布于分离盘上下两侧。分离盘具有调控尾流和增加背压的作用,因此结构的水动力系数相比于裸圆柱明显减小。

大跨度悬索桥钢箱主梁涡振性能优化风洞试验研究

以某大跨度钢箱梁悬索桥为工程背景,该桥桥面高速公路与人行道并存,桥面栏杆较多,且设置了防抛网,主梁竖向及扭转涡振明显。通过节段模型风洞试验研究了检修车轨道位置、桥面栏杆、分流板以及攻角和阻尼等对主梁涡激振动性能的影响,提出了优化主梁涡振的气动措施。试验结果表明,优化检修车轨道位置和在主梁风嘴处设置分流板能有效地抑制主梁涡振。

低压电器空气灭弧室气流场特性的仿真研究

采用Fluent软件建立空气灭弧室气流场分析的二维模型,针对具有不同栅片结构的空气灭弧室内部气流场进行仿真,分析出气孔结构、栅片形状、栅片相对位置等因素对灭弧室气流场特性的影响。在此基础上,针对当前空气灭弧室结构存在的问题,对电弧入口处的栅片结构以及下引弧片与第二栅片的相对位置进行优化设计,经多次修正后得到较为理想的空气灭弧室结构。仿真结果为低压空气灭弧室结构的优化设计提供了理论依据。

带横隔板圆柱绕流特性数值模拟

为揭示尾迹区添加横隔板对圆柱绕流流场特性影响,把多步格式引入到特征线算子分裂有限元法中,建立了基于多步格式的特征线算子分裂有限元法:在每个时间步内将Navier-Stokes方程分裂成对流项和扩散项,对流项时间离散采用多步格式,在每一子时间步内沿特征线展开并显式求解。方腔流数值模拟结果表明该算法既可降低对整体时间步长的要求又可提高计算精度。对比有无横隔板圆柱绕流流场和圆柱表面压力变化表明,横隔板可以有效地抑制绕流尾迹区涡旋脱落,提高圆柱背流面压力,减少圆柱上下表面的压力差。

后置分流平板对并列双圆柱流场特性的影响

数值模拟了Re=200情况下分流板对并列双圆柱流场的影响,并列双圆柱的间距比为1.5 D(D为圆柱的直径),分流板放置在并列双圆柱下游中心线G/D=0.5～1.5的位置;采用有限元法进行数值求解.计算表明,在合适的位置分流板可以抑制并列圆柱后的偏流,减小升阻力.分流板并不能很好地控制旋涡脱落但有一定的削弱作用.

钝体绕流的分隔板控制技术研究进展

钝体是工程中一种常见结构,流体绕过钝体时产生的旋涡脱落易诱发结构振动,进而导致结构破坏.钝体后安装分隔板是一种典型的被动控制技术,分隔板推迟钝体尾流区剪切层之间的相互作用,进而有效改变钝体后旋涡脱落及尾迹特性,延长结构寿命,并且可以利用钝体-分隔板结构进行能量收集.本文全面回顾了利用分隔板进行流动控制和能量收集的研究及应用现状,分析了分隔板长度及分隔板与钝体的距离对钝体受力情况和旋涡脱落频率的影响,比较了各种不同形状的钝体在安装分隔板后的受力和尾迹特性,并指出利用钝体-分隔板结构设计能量收集系统是扩展清洁能源开发利用的一个研究重点.

尾部隔板影响圆柱绕流场的二维层流数值模拟

为了探讨尾部隔板对圆柱绕流场的影响,采用有限体积法、非结构化网格和层流模型求解二维不可压缩N-S方程.在雷诺数为200的条件下,对背流面沿流动方向的对称线上,带薄板的圆柱绕流场进行了数值模拟,得到了流场速度云图、斯特劳哈尔数及平均阻力系数随隔板长度的变化情况.研究结果表明:在圆柱尾部加入的隔板能有效改善旋涡的脱落情况,削弱尾迹区的能量耗散,同时降低绕流的斯特劳哈尔数.在板长与圆柱直径比为L/D≥7的情况下,加入的隔板使圆柱尾部的旋涡被拉伸为扁平结构并限定在隔板两侧,在扁平对涡的外侧形成类似流线型的流场结构;尾部的隔板也使绕流的阻力系数呈现下降的趋势,当L/D=7时,平均阻力系数下降了约40%.

高雷诺数时分离盘长度对圆柱绕流特性的影响

使用大涡模拟方法,研究了高雷诺数时分离盘长度对圆柱绕流特性的影响,对不同长度分离盘下作用在圆柱体上的升力系数、拖曳力系数以及尾部流场的无量纲漩涡泄放频率(strouhal数)以及漩涡泄放形态进行了对比分析.分析结果表明:依据升力系数以及拖曳力系数随时间历程的变化特性可以将分离盘长度大致划分为3个区间,分别为稳定区间Ⅰ(分离盘长度L=0D时,D为圆柱直径)、非稳定区间Ⅱ(L=0.5D-1.0D)以及再稳定区间Ⅲ(L=1.5 D-8.0D).当分离盘长度从区间I变化到区间Ⅱ时,Strouhal(Sr)数出现突降;当分离盘长度从区间Ⅱ变化到区间Ⅲ时,Sr出现突升.随着分离盘长度的增加,圆柱尾部流场的漩涡泄放形式从2S模式(即从圆柱两侧每次只泄放单个漩涡)逐渐转化为2P模式(即从圆柱两侧每次同时泄放2个漩涡).

考虑流固耦合效应的圆柱尾板流场控制效果比较

基于流固耦合方法对分隔板圆柱绕流进行数值模拟研究,分析了雷诺数Re=200时,分隔板长度L(D≤L≤3D)对圆柱受力和周围流场的影响。结果表明:L≥2D时,考虑流固耦合后柔性分隔板圆柱的升力系数大于刚性分隔板圆柱,且随板长增加升力系数不断提升,阻力系数也相应增大;柔性分隔板尾缘流场受自由端上下摆动影响,未出现小尺度旋涡,同时分隔板上、下表面均出现旋涡。此外,流固耦合条件下尾缘旋涡结构模式将发生变化,刚性分隔板圆柱尾迹旋涡为2P型,柔性则为2S型;随分隔板长度增加,柔性分隔板自由端发生偏转,增加了对流场的额外扰动,分离流的旋转特性受到抑制,斯特努哈尔数(St)均小于刚性分隔板(L=2D除外),同时脱落涡的涡强及脱落频率均有所降低。

管壳式蒸发器内分流板均分性能的研究

蒸发器换热管间制冷剂的分配不均会导致其制冷能力的下降。建立了管壳式蒸发器和分流板三维模型,模拟研究了分流板的位置、开孔大小、开孔数量和开孔结构对R410A均分性能的影响。模拟结果表明,分流板各参数对制冷剂均流效果有显著影响。在不同入口流速工况下,不均匀度随分流板向蒸发器入口端的移动而下降且降幅逐渐变缓;不均匀度随开孔直径的增大而上升,随开孔数量的增大而下降并达到稳定;经优化分流板开孔结构,上下小孔结构的均分性能相比等圆孔结构可提高21.4%。搭建了蒸发器流量分配实验台,通过实验验证了模拟得出的流量分配规律以及分流板对流体均分性能的提升,说明根据流量分布特点优化分流板开孔结构能有效提升制冷剂的均流效果。

流道内分隔板长度对方柱绕流特性的影响

为了揭示流道内方柱-分隔板钝体的绕流特性及分隔板长度对尾迹脱涡的影响,对低雷诺数(Re=150)下阻塞比为1/6的流道内的方柱-分隔板结构进行数值研究,讨论方柱和分隔板的受力及自由剪切层的变化趋势.结果表明:在有限流道内,分隔板对方柱的尾流结构产生了明显的影响,抑制了尾流区剪切层之间的相互作用,并在一定范围内使方柱阻力减小;随着分隔板长度L的变化(0D^6 D,D为方柱边长),流动特性呈现出3个不同阶段,即当0≤L/D≤1.00时,随着板长度的增加,自由剪切层沿顺流方向逐渐下移;当1.25≤L/D≤4.50时,自由剪切层在板尾端卷起并在分隔板尾迹边缘清晰地出现二次涡;当L/D≥4.75时,分隔板完全阻断剪切层之间的相互作用,使自由剪切层再次附着在分隔板上.

带弹性分隔板的低雷诺数圆柱绕流尾迹演化特性

为了利用分隔板有效控制圆柱绕流,对雷诺数为100的带弹性分隔板的圆柱绕流开展数值模拟,研究分隔板长度和弹性模量对尾迹流场演化特性的影响,探索斯特劳哈尔数、阻力系数、升力系数和最大振幅率等特征参数的变化规律。研究结果表明:分隔板长度和弹性模量对圆柱绕流尾迹演化影响显著,尾迹流场出现交替脱落漩涡和对称不分离等不同流动结构;斯特劳哈尔数、阻力系数均值、升力系数均方根值和最大振幅率随分隔板长度和弹性模量的变化趋势基本一致,当弹性模量为2.0MPa时,斯特劳哈尔数在分隔板量纲一长度为1.2和2.8处出现极大值;当分隔板量纲一长度为1.2时,斯特劳哈尔数、阻力系数均值、升力系数均方根和最大振幅率的最大值分别为0.302,2.981,1.621和0.280。

隔板对阵风来流下圆柱绕流特性的影响

本文通过对阵风来流下圆柱-隔板模型气动力、变形与流场的同步测量,分析了隔板对阵风来流下圆柱-隔板模型绕流特性的影响.隔板长度L与圆柱直径D之比为L/D=1,基于来流速度U_(∞)和圆柱直径D的雷诺数Re_(D)=2×10^(4).结果表明,隔板同样能降低阵风来流情况下圆柱绕流的阻力,减阻量为13%.同时,阵风来流下模型气动力脉动大幅增加,而柔性隔板变形与流场涡脱落的耦合使气动力脉动进一步增大.此外,阵风来流主导旋涡形成前流场中的速度脉动.由于隔板的存在导致剪切层伸长,旋涡形成长度增加,阵风来流的影响范围扩大.

后端设置扰流板对圆柱流场与气动噪声影响

采用延迟分离涡模型进行数值模拟,基于涡声理论和声类比方法,计算分析雷诺数Re=6×104下后端设置不同长度扰流板(不大于圆柱直径)的圆柱杆件周围流场与气动噪声特性,并与具有相同特征长度的普通圆柱杆件工况进行对比。圆柱杆件远场气动噪声计算值与声学风洞测试结果的频谱曲线吻合良好,验证数值模拟的准确性。结果表明,圆柱后端加设扰流板后,流动分离形成的涡脱落发展被限制在扰流板两侧,使得类圆柱杆件尾迹内分离剪切层长度增加,涡运动耗散增强,近壁面涡旋波动强度和尾迹内规则涡脱落强度减弱,降低几何体周围近场四极子气动噪声源强度,同时减小类圆柱杆件气动力脉动和阻力平均值,降低涡脱落诱发气动噪声的谐频峰值,有效降低远场偶极子噪声的声压级幅值,取得较好的气动噪声降噪效果。

分隔板偏角对圆柱受力和脱涡频率的影响

钝体后安装分隔板是一种有效的被动控制技术,本文采用有限体积法对非稳态二维层流下的圆柱-分隔板结构绕流进行了数值计算。研究了中等雷诺数(Re=100～500)下,分隔板与来流方向存在夹角时(θ=0°～45°)的圆柱绕流特性。结果表明不同Re数下,圆柱阻力和升力系数等反映流动特性的参数随分隔板偏角而变化;阻力系数最小值对应的分隔板偏角随着Re数的增加而减小,圆柱升力与分隔板偏角的大小呈正比;在Re≥300时,随分隔板偏角的增大,旋涡形成区长度减小,斯特努哈尔数Sr在θ=20°时出现峰值。