绕流柱体问题的量纲归一化模拟方法

在对流换热数值模拟中,采用量纲归一化有利于简化模拟设置、提高计算效率和增强计算结果的适用性。因此,针对无外力影响情况下的稳态对流换热问题,采用量纲归一化因子,推导出包括守恒方程、湍流模型和气体状态方程在内的量纲归一化控制方程。以空气绕流热圆柱体问题为例,利用上述方程分别对层流和湍流工况进行模拟计算,并与标准控制方程的模拟结果作比较。结果表明:在层流和湍流工况下,两种方法的模拟计算结果一致,相对误差在10-4以内。本文提出的量纲归一化模拟方法可用于简化对流换热问题的数值模拟,并有助于分析各参数对模拟结果的影响。

气液两相流水平绕流柱体的动态压降特性

压降是气液两相流绕流柱体时包含丰富流动信息的重要参数,对于压降的研究密切关系到两相流动系统的设计和运行。以空气和水为实验介质在泡状流、塞状流、弹状流和环状流四种流型下,研究了气液两相流水平绕流梯形柱体的动态压降特性。结果表明:泡状流和塞状流的动态压降有较稳定的波动,其时均值主要取决于液相流量;弹状流的动态压降变化剧烈,其时均值随两相雷诺数的分布比较均匀;环状流的动态压降变化比较平缓,其时均值随两相雷诺数的增加呈近似线性递增;在四种不同流型下,时均动态压降系数随两相雷诺数的增加都呈线性递减。这一结果为分析气液两相流绕流柱体的流动特性提供了有益的借鉴。

自动网格体系在柱体绕流大涡模拟中的适用性评估

为了评估基于snappyHexMesh方法生成的自动网格体系在二维柱体绕流大涡模拟中的适用性,比较了该自动网格体系与人工网格体系对于Re为3900圆柱绕流和Re为22000方柱绕流的数值模拟结果。通过设置合理的计算域以及数值格式,采用snappyHexMesh自动网格以及人工网格的算例都表现出良好的数值稳定性。将不同网格体系的数值模拟结果与物理试验结果进行对比,结果表明,采用snappyHexMesh网格可以提高数值求解效率;圆柱绕流对网格体系的变化比较敏感,不同密度的snappyHexMesh网格会显著影响圆柱气动力特征以及尾流区域的流场结果;snappyHexMesh网格体系可以准确预测方柱绕流,在方柱绕流大涡模拟中具有相较于圆柱绕流更好的适用性。

三维方管中柱体可压绕流的大涡模拟

该文利用大涡模拟,对可压缩流体绕经安装在方管底部的长方体和矩形体的绕流现象进行了三维数值模拟。模拟结果显示了流体绕经障碍物后各涡的形成和耗散过程。分析了不同Re时柱体绕流流场的结构。发现长方体壁面上的各个涡在小雷诺数时基本稳定,在大雷诺数时涡容易脱落,流场呈现复杂的湍流结构。通过改变柱体障碍物的高度,得到了绕流流场在不同阻塞比下的结构变化,发现湍流现象随着阻塞比的增大而增强。

柱体绕流的CIP方法模拟

柱体绕流和流致振动现象是一个复杂的工程问题,利用自主研发的CIP-ZJU模型,对低雷诺数(Re<300)圆柱和方柱绕流问题开展了数值模拟。模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线CIP方法作为流场的基本求解器离散了Navier-Stokes方程,基于多相流的理论实现流-固耦合同步求解,利用浸入边界方法处理固体边界。模拟结果与文献结果进行比较,二者吻合情况较好。通过引入压力阻力项和摩擦阻力项,分析了Strouhal数、阻力系数、升力系数等参数随雷诺数的变化情况。结果表明,圆柱绕流与方柱绕流在水动力参数的变化规律上存在多处差异。

不规则柱体绕流的数值研究

为研究不规则柱体绕流的流体力学特性,介绍了国内外柱体绕流研究的相关进展与研究方法,然后运用数值模拟软件STAR-CCM+建立了4个二维模型,并在雷诺数Re=8×10~5和3.6×10~6两种情况下进行了数值模拟。通过对比普通圆柱体绕流和改变截面形状后的柱体的绕流效果,发现不规则柱体对绕流产生了一定的影响,能够延缓尾涡的脱落,效果显著。

管内柱体绕流阻力系数数值仿真研究

钻探工程中经常出现管内柱体绕流现象,针对现阶段还没有准确的方法计算管内柱体绕流阻力的问题,采用数值仿真的方法来研究管内柱体绕流阻力的变化规律,分析并确定了影响管内柱体绕流阻力系数的三个因素,即阻塞比,长径比和雷诺数。设计了三组算例来研究各个因素对管内柱体绕流阻力系数的影响,并采用有限体积法对各组算例进行数值仿真求解。数值仿真的结果表明:管内柱体绕流阻力系数随阻塞比的增大呈指数增长,管内柱体绕流阻力系数随长径比的增加而线性增加;大于一定雷诺数后,管内柱体绕流阻力系数随雷诺数的增加而基本保持不变。数值仿真的结果为准确计算不同尺寸及不同运动状态的管内柱体绕流阻力提供了方法和依据。

不同倒角半径四柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究四柱体布置情况下倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,使用Fluent软件,采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3900下6种不同倒角半径的柱体在方形四柱体布置时的三维流场。在模型分析验证有效后,分析了柱体后方瞬时流场、水动力参数、时均流场的变化情况。分析结果表明:随着倒角半径的增大,上游柱体的平均阻力系数逐渐减小,下游柱体的平均阻力系数除了在R+=0.1处增幅很大以外,其余均随倒角半径变大而平稳变大;各柱体的升力系数均方根变化趋势基本相同;R+=0.1、0.5时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相反,而在R+=0.2、0.3和0.4时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相同。

等边布置三圆柱绕流的数值分析

用有限元方法对于等边三角形布置的三个相同直径的二维圆柱绕流问题进行了数值模拟 ,分别求得了在不同间距比下的流场分布和各圆柱的升、阻力系数以及斯托哈罗数。计算结果表明 ,小间距比情形下三圆柱之间的干扰是严重的 ,流动并不对称于中心轴线 ,而是偏向下游的某个圆柱。数值计算结果与有关文献和实验进行了对比 。

紧致插值曲线方法在流向强迫振荡圆柱绕流中的应用

利用紧致插值曲线(constrained interpolation profile method in Zhejiang University,CIP-ZJU)数学模型,对低科勒冈-卡朋特(Keulegan-Carpenter)数KC静止流体中振荡圆柱以及雷诺数Re=200时流向强迫振荡圆柱绕流进行了数值模拟.模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线方法作为流场的基本求解器离散了纳维-斯托克斯方程,基于多相流的理论实现流固耦合同步求解,利用浸入边界方法处理固体边界.模拟结果与现有文献结果进行比较,二者吻合情况较好,验证了此方法对于计算复杂流动问题的可靠性.

考虑粗糙度影响的单圆角柱体水动力特性影响研究

为研究不同来流角度下局部粗糙度变化和加糙位置对圆角柱体水动力特性的影响,本文利用Fluent对雷诺数(Reynolds number,Re)N_(Re)=3900时,直边和圆角加糙情况下不同粗糙度K S/D、不同来流角度θ的单圆角柱体绕流过程进行了数值模拟,给出并分析了柱体水动力参数、瞬时涡量以及时均流场的变化规律。结果表明,相比于直边加糙,在圆角柱体圆角位置采取加糙措施及改变粗糙度对柱体的水动力特性的影响更大。在圆角柱体圆角位置加糙时,随着K S/D的增加,柱体所受平均阻力系数(Average resistance coefficient)C_(d-ave)和升力均方根系数(Root mean square coefficient of lift)C_(l-rms)整体呈逐渐减小趋势,斯特鲁哈数(Strouhal number,St)N_(St)整体呈逐渐增大趋势,柱体后方负压值整体呈逐渐降低趋势。随着来流角度θ的增加,圆角加糙柱体的水动力特性同样有明显变化。本文研究结果可为相关工程设计提供参考。

方柱绕流吹气降噪数值研究

通过数值模拟的方法研究了在方柱前缘分离点处施加垂直来流速度方向的吹气控制下,方柱的气动噪声特性。对零度迎角下三维方柱进行了流场和声场特性研究,在固定吹气速度3 m/s和固定吹气速度比(吹气速度/来流速度=0.1)的控制条件下改变来流速度大小的情况,探究吹气降噪机理和吹气控制效果。

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,试验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征提取出流动分离点,采用旋转强度的方法识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明:在低柱体雷诺数水流条件下(Re D<5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下的参数。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000<Re D<8 000流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当Re D>8 000,流动分离点向下游缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。

柱体周围水力特性的数值模拟研究

针对柱体周围水力特性的数值模拟研究多采用二维数学模型,得出的结论缺乏原因和规律分析,基于Fluent 6.3软件平台,采用κ-ε紊流双方程模型和具有自由液面追踪功能的VOF单流体模型,分别对方柱体布置方向与来流夹角成90°和圆柱体布置方向与来流夹角成45°、60°、75°、90°进行三维数值模拟,分析了柱体对水流的壅水及柱体周围的流场和压力状况,获得了柱体周围水力特性的规律,可为柱体设计提供参考。

圆柱及切割圆柱低Mach数绕流气动声辐射

以柱体绕流声辐射为研究对象,探讨低Mach数流动气动声定量预测方法。首先,理论分析Lighthill声类比理论与基于流体动力学压力对时间求导的扰动分离模型之间内在联系。其次,利用计算流体动力学对圆柱及其尾部切割后的亚临界流态绕流进行二维数值求解,分析两种湍流模型的流场计算效果。最后,分别使用声类比理论FW-H方程及扰动分离模型进行柱体绕流气动声辐射定量预测,分析声指向性及频谱特性。数值结果表明声类比理论与扰动分离模型预测的声辐射频谱相似,但前者的幅值略高;圆柱尾部切割使尾流脉动增强,导致声辐射变大。

方柱绕流CFX三维数值模拟

该文利用计算流体力学软件CFX,对恒定来流条件下黏性不可压缩流体的圆柱和方柱绕流进行了数值模拟。采用有限体积法和SIMPLE计算方法,求解不可压缩Navier-Stokes方程。首先开展雷诺数(Re)等于100和300时的圆柱和方柱绕流问题的二维数值模拟,分析比较了网格大小和时间步长对模拟结果的影响,并比较了不同柱体情况下的流体流动的差异性。进而对Re=100、300时方柱绕流问题进行了三维数值模拟,重点分析了各截面上阻力和升力系数、Strouhal数以及涡量特性与二维结果的差异。发现Re=300时,周向压力、速度场和涡量场与Re=100时相比存在明显的三维特性,并且由于二维流动结构发展成三维流动结构时需要消耗能量,导致三维的阻力升力系数计算结果均小于二维计算结果。研究表明,该文的数值结果与文献结果吻合良好。

通孔柱体的流场特性研究

当流体以一定速度绕经柱体时,会在物体表面产生分离,分离涡脱落产生尾部涡街,导致柱体阻力增加并产生振动,一定条件下还会造成柱体的解体。为了减小作用在柱体上的阻力并降低振动载荷,该文分别以通孔方柱与通孔圆柱为研究对象,通过大涡模拟数值计算了它们在Re?2.2×105时的流场,得到了相应的尾涡结构与升阻力系数曲线图。通过比较柱体通孔前后的流场发现,有通孔的柱体虽不能消除其尾涡的产生与脱落,但因通孔形成的涡系会降低柱体上下表面形成的分离涡尺寸,从而可有效减小柱体的阻力,同时还可降低其升力的脉动幅度。因此,柱体的通孔不失为一种简便易行的柱体减阻抑振被动控制方法。

明渠柱体上游马蹄涡的运动学特征研究

马蹄涡是水下柱体结构周围床面冲刷的主要动力。为掌握马蹄涡的运动学特征,引入了基于旋转强度的马蹄涡识别方法,提出了基于椭圆涡拟合的马蹄涡特征提取方法,其中,椭圆涡由Oseen涡和倾斜单向剪切流叠加而成。基于上述方法,通过开展明渠圆柱绕流PIV实验,对柱体上游对称面时均流场中马蹄涡的运动学特征进行了研究。结果表明,在柱体雷诺数大于104的紊流柱体绕流中,马蹄涡上游的流动分离点随柱体雷诺数的增大而缓慢向下游移动,但马蹄涡的位置保持不变,涡中心距柱体中轴约0.67D(D为柱体直径或宽度),距床面约0.06D;随着柱体雷诺数的增大,马蹄涡的半径不变而强度增加,使得马蹄涡作用于床面的剪切应力增大。研究结果建立了客观提取马蹄涡运动学特征的数学方法,得到了流动分离点、马蹄涡位置等运动学特征随水流条件的变化规律,揭示了明渠柱体绕流与其它流动中柱体绕流的差异,初步构建了马蹄涡的动力作用概念模型。

引入动力模式的DDES模型及其在大分离流动中的模拟应用

该文研究了引入LES模型中的动力模式的DDES模型在大分离流动中的模拟应用。引入动力模式的DDES模型(动力DDES模型)根据流场特性动态地决定模型系数,理论上能够捕捉到更多的湍流小尺度运动。为了验证动力DDES模型的模拟表现,分别应用动力DDES模型和DDES模型对雷诺数Re=3900的三维圆柱绕流和雷诺数Re=22000的三维方柱绕流进行了数值模拟,比较分析了这两种模型计算的时均流场特征和瞬时流场特征。结果表明,引入动力模式对DDES模型计算的流场特征有一定的改善,同时动力DDES模型可以模拟更精细的瞬时流场湍流结构。

截面形状对局部马蹄涡影响的数值研究

马蹄涡是造成水工建筑局部冲刷的主要动力因素,削弱马蹄涡强度,可降低局部冲刷强度,提高相关结构物的安全性。该文针对直立柱体带自由表面流动,建立了三维数值模型。数值模型基于有限体积法(FVM),湍流模型采用二阶的k-?SST双方程模型。针对雷诺数为ReD=39000的圆柱绕流物理模型实验,验证了模型的模拟精度,进而开展了不同截面形状的柱体绕流数值模拟。该文旨在探讨截面形状对马蹄涡的影响,涉及马蹄涡的位置和强度,以及床面剪应力的分布随截面形状而发生的改变。分析总结合理的截面形状,以达到削弱局部马蹄涡的目的。