阵列四柱绕流的数值模拟

阵列四柱绕流特性是研究海洋结构物涡激运动的基础,文中引入雷诺平均法求解NS方程,结合SST k-ω湍流模型阵列四立柱绕流进行了数值模拟.根据中国南海流场实际分布特点,选取6个典型流速,由于阵列四柱结构对称,故选取3个来流方向进行研究.在对单个方柱绕流的斯特哈尔数与相关实验和数值模拟进行验证对比的基础上,研究了张力腿四立柱升力系数、拖曳力系数、立柱截面上的涡强分布以及尾涡泄放结构,采用频谱分析方法研究了阵列方柱频域特性.数值模拟结果表明:四立柱在0°及45°流向时四立柱的涡泄频率大于单方柱的涡泄频率,而22.5°时两者基本相同,四立柱的斯特哈尔数均大于单个立柱,各立柱涡强最大值均位于上游立柱迎流面拐点处,尾流涡泄结构均表现为2S模式.

鱼类游动的N-S方程数值模拟

通过求解二维守恒型非定常流动N-S方程,对鱼类运动时鱼体周围二维非定常流场进行数值模拟,数值计算空间采用有限体积离散,时间推进格式采用Jameson的双时间法。描述了各状态鱼体模型、计算网格的生成方法和数值计算方法。结合计算结果对鱼类游动时反卡门涡街的形成和鱼体推力的产生机理进行了分析,并对不同斯特哈尔数对推力的影响进行了研究。结果表明:非定常N-S方程数值方法能够正确模拟鱼体运动时的流场和反卡门涡街的形成;产生明显推力的St数的范围是0.23～0.53,而且在0.35处推力达到最大。

串列钝体绕流的数值计算

用二阶投影法求解二维不可压粘性流体的N -S方程 ,计算了高雷诺数Re=1× 10 5下串列圆柱的非定常绕流 ,得到的阻力系数及斯特劳哈尔数与试验结果吻合良好 ,结合工程实际 。

等直径串列双圆柱体绕流的数值模拟

在不同的亚临界雷诺数Re和柱间距比G/D条件下,运用Fluent软件对等直径串列双圆柱体的绕流现象进行数值模拟。根据模拟结果,分析了Re和G/D对漩涡脱落形态、压力系数Cp和斯特劳哈尔数St的影响规律。结果表明:随着柱间距的变化,双圆柱体的尾流呈现不同的漩涡脱落形式,出现相同尾流形态的G/D范围,会随着Re的变化而发生改变。由于受下游圆柱体干涉效应的影响,上游圆柱体的剪切层分离点位置随着G/D的增大而逐渐后移,当达到某一临界值后,干涉效应消失,Cp分布和剪切层分离点与单圆柱体相似。与此同时,St也随着G/D的变化而发生改变,其变化规律与不同的漩涡脱落形态相对应。

方柱绕流粒子图像测速试验与数值模拟

采用粒子图像测速设备PIV(particle image velocimetry),进行了雷诺数为2.2×104的方柱绕流试验,与公认的采用LDV(laser doppler velocimetry)的试验结果吻合较好,验证了本风洞中PIV试验系统的有效性.在进一步的比选中,通过计算方柱的阻力系数和斯特劳哈尔数以及流场的速度剖面和湍动能剖面,比较了几种常用湍流时均模型的计算结果与试验结果的差别.结果表明,采用基于剪应力传输的湍动能—耗散率模型(k—ωSST),能够得到与试验吻合较好的计算结果.

串列双圆柱尾迹流的数值分析

为避免流体流动引起共振,采用有限体积法,对串列双圆柱尾迹流进行了数值分析,探讨了斯特劳哈尔数(Strouhal数)随圆柱间距比和雷诺数变化的规律.研究表明:在不同流场形态下,斯特劳哈尔数随圆柱间距比的变化规律不同;斯特劳哈尔数随雷诺数的增大而增大,但增大幅度与流场形态有关.

亚临界雷诺数下凹坑圆柱绕流数值模拟分析及减阻性能研究

为研究非光滑圆柱绕流减阻性能,采用SST k-ω湍流模型对亚临界雷诺数R_e=40 000下凹坑圆柱绕流进行数值模拟及减阻性能研究。对凹坑深度、内部形状、分布形式进行了结构参数敏感性分析,研究各参数对凹坑圆柱绕流减阻性能的影响规律。结果表明:凹坑圆柱具有较好的绕流减阻效果;阻力系数、升力系数均随凹坑深度增加呈先减小后增大的变化趋势,且在h=0.015D时,凹坑圆柱绕流具有最佳减阻效果;圆柱形凹坑圆柱平均阻力系数为0.923,球面形凹坑圆柱平均阻力系数为0.94;菱形分布凹坑织构的圆柱绕流阻力系数平均值为0.923,矩形情况为0.973。

带有柔性薄板三维方柱流固耦合的数值模拟研究

采用双向流固耦合方法,对带有柔性薄板三维方柱的流场变化特性进行了研究。通过对比单方柱,分析了带有柔性薄板三维方柱阻力系数、升力系数以及斯特劳哈尔数的变化规律。研究表明,在方柱尾流区域附加一柔性薄板可以使其阻力系数降低34.6%,同时其变化幅值大大减小;其升力系数的均方根减小84.8%,流场脉动大幅度减小;斯特劳哈尔数降低79.5%。研究结果表明,在三维方柱后设置柔性薄板可有效抑制涡脱落,从而改善三维方柱的尾流特性。

单根缠绕管绕流的二维数值模拟

在横向流的作用下, LNG 绕管式换热器的缠绕管会因漩涡脱落而振动, 从而影响换热器的安全运行.为此, 通过数值模拟方法对该换热器中单根缠绕管进行绕流分析, 借鉴圆柱体绕流方法研究LNG 缠绕管在雷诺数、管径和螺旋角的不同参数组合下, 压力系数、脉动升力系数、漩涡脱落频率和斯特劳哈尔数的变化规律.研究结果表明, 在θ = 75°左右表面压力系数最小, 在θ =120°～130°时发生边界层分离; 随着螺旋角和雷诺数的增大, 边界层分离点位置向后移动; 随着管径增大, 边界层分离点位置向前移动; 漩涡脱落频率随雷诺数的增大而升高, 随管径的增大而降低, 螺旋角对漩涡脱落频率的影响不大; 随着雷诺数的增大, 斯特劳哈尔数先增大后减小,且最大斯特劳哈尔数为0. 185.

平板闸门垂向自激振动数学模型研究

在分析前人实验结论和平板闸门自激振动机理的基础上,将结构—尾流振子模型应用到闸门垂向自激振动的研究中,振子模型采用von der por方程,在结构的控制方程中合理地加入了附加质量项。通过确定模型其他参数并对模型进行计算得到闸门稳定自激振动(共振区)下的垂向振动峰值和频率比。计算值和实测值能较好地吻合,从而实现了影响闸门自激振动参数的整合及对闸门自激振动的定量研究,为进一步深入分析闸门自激振动的机理提供了更加可靠的依据。

声波作用下球形颗粒外声流分布的数值模拟

综合考虑声学边界层内的热损失和黏性损失,建立处于平面驻波声压波节位置二维球形颗粒外声流计算模型,利用分离时间尺度的数值方法对颗粒外声流流场特征进行模拟。将模拟结果与相应的解析解和实验结果对比,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上,研究了雷诺数Re和斯特劳哈尔数Sr对球形颗粒声学边界层内二阶声流流场结构、涡流强度及范围的影响规律.结果表明,随Sr和Re增大,声学边界层内的涡流结构尺度呈指数形式减小,其涡流尺度与颗粒直径D和激励频率f成反比,与流体介质运动黏度V成正比;且满足低Sr和高Re的声振系统可形成范围较大、更强烈的声流运动.该数值方法可用于对任意物理模型外声流特性的评估.

基于热色液晶技术的尾迹对涡轮动叶表面换热系数影响研究

为探究上游尾迹影响下的涡轮动叶表面换热特性,采用热色液晶技术测量了尾迹对光滑叶片表面换热分布的影响,获得了高低湍流度(2%,20%)来流时不同尾迹斯特劳哈尔数(0,0.12,0.36)条件下光滑动叶表面换热系数的实验数据。结果表明:当湍流度为2%时,随着尾迹斯特劳哈尔数增加,压力面换热系数增高幅度最大为142%,前缘区域增高幅度最大为7%,吸力面增高幅度最大为186%。当湍流度为20%时,尾迹对换热系数的影响相对减弱,随着尾迹斯特劳哈尔数增加,压力面换热系数增高幅度最大为10%,前缘区域增高幅度最大为10%,吸力面增高幅度最大为26%。尾迹导致吸力面转捩点提前,过渡区延长。整体看来,尾迹导致光滑叶片表面换热系数升高,对吸力面换热系数的影响大于压力面。

波纹通道中流动非稳态特性的数值研究

本文对两种不同间距的波纹通道中的流动进行了非定常的数值模拟,给出了间距和雷诺数对反映涡脱落频率的无量纲斯特劳哈尔数的影响情况,比较了二维和三维数值模拟的差别。增大雷诺数或者减小间距将会使斯特劳哈尔数增大,而斯特劳哈尔数随雷诺数增大而增加的趋势会趋于平缓。雷诺数相同的情况下,三维模拟会得到振幅更大且形式更复杂的速度随时间振荡的曲线,而且波纹通道间距越大,速度振荡曲线的振幅也越大且形式越复杂。

双圆柱绕流水动力分析的离散涡数值模拟

对双圆柱流动干涉效应的认识有利于了解多管流场的作用机制、确保结构安全。基于离散涡方法,对二维等直径双圆柱绕流的水动力特性进行数值分析。计算串列、并列以及交错排列下双圆柱流动干涉问题,通过对比2个圆柱的升力系数、阻力系数和斯特劳哈尔数以及尾涡结构,观察两圆柱体的干涉效应。对比试验和其他数值模拟结果验证本文方法的可靠性。为进一步研究两圆柱间隙比的影响,计算串列和并列圆柱在不同间隙比情况下的圆柱绕流问题。结果表明:间隙比一定时,随着来流与圆柱中心线夹角的增大,双圆柱的平均阻力逐渐增大并趋于稳定,平均升力在达到极小值后又开始增大并逐渐趋于0;当间隙增大时,干涉现象逐渐消失,双圆柱绕流可近似看作两个单圆柱绕流。为双圆柱绕流问题的研究提供参考。

非等径圆柱风荷载的数值模拟

为保证某型天线的指向稳定性和结构安全性,采用基于Spalart-Allmaras方程模型的DES方法,对其简化的非等径旋成体进行了非定常流动数值模拟研究。计算结果表明,对于变直径圆柱,各等直径段在长径比足够大时仍能使各段大部分区域保持稳定的周期性涡脱落;各段涡街的频率与来流速度、当量直径之间仍符合Strouhal关系式。研究结果可为各类非等径圆柱在不同风荷载下的结构安全性分析提供依据。

等边布置三方柱绕流漩涡相互作用机制的数值分析

采用有限体积法,对雷诺数Re为100和200的左"品"字形布置等边三方柱的绕流问题进行了数值模拟,分析了间距比在1.2~6.0范围内,流场流动特性、柱体阻力系数、升力系数及斯特劳哈尔数的变化规律,重点研究了临界间距比,并成功捕捉到了上述两个雷诺数下三方柱绕流的临界间距比.结果表明:间距比对流场特性与结构具有非常重要的影响.Re为100时,偏流现象消失的临界间距比为3.7;Re为200时,偏流现象消失的临界间距比为4.1;Re为200时的流场比100时的更不稳定;随着雷诺数的增加,偏流现象消失的临界间距比增大.

低雷诺数二维与三维圆柱绕流探究

分别采用层流模型以及TransitionSST湍流模型,通过ICEM分块法进行网格划分进行了低雷诺数下的二维与三维圆柱绕流的数值模拟。通过控制入口水流的速度达到控制雷诺数的目的。分别计算了二维与三维状态下圆柱的升阻力系数以及斯特劳哈尔数,同时进行了对比发现随着雷诺数的增加二维与三维状态下流场存在明显的差别,尤其是在圆柱尾涡的形态上。此外对于弹性体圆柱绕流进行了初步探索,为之后大变形条件下分析奠定了基础。

仿真研究气泡流中的卡门涡街

利用COMSOL软件中的层流模型研究了气泡流中的卡门涡街现象。在中低雷诺数范围内,利用三种方法获得了气泡流的斯特劳哈尔数。相比纯水,气泡流具有较大的斯特劳哈尔数(St≈0.24)。在研究的参数范围内(障碍物尺寸2~5 cm、入射流速0.02~0.07 m/s),涡脱频率和入射流速成正比,和障碍物直径成反比,波长和障碍物直径成正比。

封闭式综合集成桅杆风载分布特性研究

为了提高舰船的隐身性能,现代舰船已逐渐开始采用封闭式综合集成桅杆,因此研究典型封闭式综合集成桅杆的风载分布具有重要意义。利用计算流体力学软件对典型的正八面体封闭式综合集成桅杆风载分布进行数值模拟,研究了风向角为0°、12°及22.5°、雷诺数在2.92×106至1.55×107范围内桅杆的风载分布,分析平均压力系数、脉动压力系数及斯特哈尔数随雷诺数的变化规律,以及平均压力系数和脉动压力系数沿桅杆垂向和周向的分布规律。结果表明:平均压力系数和脉动压力系数均随雷诺数的增加而趋于稳定,且其沿桅杆垂向基本呈均匀分布而沿桅杆周向变化较大。

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。