平板间方柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

为研究平板间方柱绕流上下平板对置于其中的方柱绕流所产生的影响,采用格子Boltzmann方法对二维平板间低雷诺数(Re=100)方柱绕流问题进行了数值模拟研究.分析了3种不同阻塞比下,平板边壁对方柱的升、阻力系数、Strouhal数和尾涡流场的影响.结果表明:平板对方柱绕流特性有明显的影响,随着阻塞比的增加,阻力系数和Strouhal数均增大,与无边壁相比阻力系数可增加达30%,而升力系数却随之减小.计算结果与相关实验数据相吻合,验证了格子Boltzmann方法对钝体绕流非定常问题模拟的有效性。     

低雷诺数中等间距串列双方柱涡激振动的数值模拟

为研究典型间距比串列双方柱的涡激振动特性及其耦合机制,对雷诺数为150、柱心间距比分别为2.0和4.0的串列双方柱涡激振动进行了数值模拟,探讨了方柱振动响应随来流折减速度的变化规律,以及周围流场的流态与其演变过程,重点分析了下游方柱的能量输入机制.两方柱在不同柱心间距比下均以横流向振动为主,柱心间距比为2.0时,均在双涡脱流态内发生“弱锁定”（即方柱在振动锁定区的振动频率锁定值远小于1.0）,其横流向最大振幅皆出现在振动锁定区内且上游方柱振幅较大;在振动锁定区内,上游方柱平均阻力系数的激增导致平均柱心间距急剧减小,扰乱了下游方柱的气动升力对振动的能量输入,导致其尾流中的旋涡极不稳定.柱心间距比为4.0时,仅下游方柱在剪切层再附流态内发生“锁定”,两方柱的横流向最大振幅均出现在振动锁定区外,但上游方柱振幅远小于下游方柱,这是由于两方柱脱落的旋涡相互融合,使得气动升力对下游方柱的能量输入增强,横流向振幅和旋涡的横流向间距随之增大,造成下游方柱的尾流模态为双涡脱流态内的平行涡街模态.此外,下游方柱的横流向振幅在剪切层再附流态内也会出现较明显的极值,其对应的尾流模态均为剪切层再附流态内的平行涡街模态.     

湍流模型下双柱绕流升阻力系数数值模拟

本文使用流体软件FLUENT在RNG κ-ε湍流模型下.取雷诺数Re为20 000,间距比s/d等于1.75,模拟了双柱在串列、并列及两柱中心的连线与水流方向成30°和60°夹角错置这四种工况下的绕流升阻力系数.两圆柱阻力系数随夹角增大而增大,以并列双稳态对应的阻力系数最大.双柱串列时,下游圆柱阻力系数为负,两柱升力合力为0.双柱错置和并列时,两圆柱阻力系数都为正值,每个圆柱的升力合力都不为0,以并列发生双稳态流动时的升力合力最大.     

不同间距比下串列平板绕流尾迹的LDA试验研究

本文以串列平板为研究对象,运用激光多普勒测速技术(LDA),研究了亚临界雷诺数Re_D=3×10~4下,间距比T/D在1～6之间的上下游平板近尾迹区时均速度、脉动速度分布及其频谱特性,探讨了间距比变化对串列平板绕流尾迹的影响。试验结果表明:小间距比下(T/D3),上游平板尾迹受下游平板抑制作用显著,无明显涡脱产生;随着间距比增大,这种抑制作用逐渐减弱,上游平板尾缘处出现明显涡脱。上游平板近尾缘区(x_1/D≤0.5),间距比对其尾迹影响较小;远离尾缘区(x_1/D 0.5、x_2/D 0.5),间距比对上游平板尾迹影响更为显著。间距比T/D≥3时,上下游平板均能形成稳定涡脱,且随着间距比增大两平板流动状态趋于一致,均趋向于单平板绕流。T/D=3可作为该雷诺数下,串列双平板绕流的临界间距比,此处St数有极小值。     

基于动态亚格子模型的方柱绕流大涡模拟

目的 对高雷诺数下的方柱绕流进行数值模拟,得到方柱下流场时间平均结果以及湍流流场的流场特征,用于验证亚格子模型对大涡模拟(LES)计算精确性的影响.方法 基于有限体积法(FVM)的流体计算开源软件OpenFOAM,采用两种不同动态亚格子模型下的大涡模拟方法,模拟高雷诺数(Re =2.2 ×104)下的方柱绕流.结果 通过数值计算得到流场完整的平均和脉动结构,并得到阻力系数、升力系数、斯托拉哈数等重要的气动力参数,经对比与试验实际情况吻合.结论 高雷诺数复杂流场下亚格子应力的封闭形式对大涡模拟的计算结果有重要的影响,采用动态模拟技术一方程模型计算结果优于常规的Smagorinsky模型,在高雷诺数复杂流场下的计算是高效的,为结构抗风的数值研究提供了参考.     

并列切角方柱风致干扰效应的大涡模拟研究

针对并列切角高层建筑间的干扰影响问题,本文采用大涡模拟方法研究雷诺数22 000的均匀流场下并列切角(切角率10%)方柱的干扰效应。基于模型的网格收敛性分析及模型准确性验证,对比分析不同间距比下并列切角方柱的气动干扰效应和流场分布,并探寻风压干扰效应的影响规律和形成机理。结果表明：对于并列切角方柱,平均阻力系数主要呈放大效应,脉动升力系数主要呈减小效应。在并列切角方柱处于小间距(B/L=1.2)时,由于风与壁面的相互作用,产生风压力,风压力与方柱表面力叠加,对正压区域产生加强效果,表现为放大效应,对负压区域进行削弱,出现减小效应;当B/L=1.5时,结构干扰最剧烈,其中相邻立面后流场的切角处放大效明显,干扰因子最大值为2.58;当B/L≥4.0时,除相邻立面外的其他立面与切角干扰效应趋于消失;当B/L=8.0时,相邻立面仍然存在28%的放大效应。     

三维错列双波浪锥柱绕流流动特性数值仿真

利用大涡模拟分析了雷诺数Re=3 900下间距比为L/Dm=4和5、交错角为α=0～15°的错列双波浪锥柱升阻力特性、流场结构及尾迹干涉效应。研究发现:对于特定间距比L/Dm=4、5,下游波浪锥柱脉动升力系数得到显著提高,在α=10°时较单直圆柱分别提升20.1倍和21.4倍,这主要是由上游波浪锥柱尾涡卷起撞击在下游波浪锥柱的一侧,下游波浪锥柱表面产生周期性的耦合力导致;受上游波浪锥柱两个自由端及其侧面来流与下游波浪柱作用产生的回流区的影响,下游波浪锥柱时均阻力系数显著降低。随着交错角增加,对于间距比L/Dm=4、5,下游波浪锥柱时均阻力系数逐渐接近上游柱,且在α=10°时,时均阻力系数较单圆柱分别降低34.9%和18.8%。涡量图展示了错列双波浪锥柱之间的完全撞击状态,侧面撞击状态和尾流干扰状态;且由于波浪锥柱表面形状的影响,使得流经波浪锥柱后方的尾涡存在明显分层现象,侧面撞击状态相对于其他两种状态能提供更大的脉动升力系数。本文研究结果可为风力俘能结构列阵的布局提供理论支持。     

基于气体动理学格式的平板绕流数值模拟

介绍了基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）模型的气体动理学格式Gas Kinetic Scheme（GKS）数值算法。给出了平板绕流的物理模型以及边界的处理方式,同时进行了算法准确性验证。对不同雷诺数条件下的单平板绕流进行数值模拟,随雷诺数的增大,涡不断被拉长,逐渐失去对称性,形成卡门涡街;对Re=300的前后平板绕流,当板间距较小时流场处于对称尾流区,没有涡的脱落,当板间距较大时会形成卡门涡街;对Re=300的上下平板绕流,当板间距较小时流场特征与单平板绕流相似,当板间距较大时会形成两列涡,在下游较远处开始逐渐合并。     

应用PIV系统研究横流中水平方柱绕流旋涡特征

利用PIV系统对二维水平方柱绕流的旋涡特性进行了试验研究,得到了来流雷诺数为796-9 556、不同间隙比(G=3.0,1.0,0.2)时方柱绕流瞬时流场分布.根据这些数据,分析了方柱绕流流场中旋涡发展和演化规律,比较了瞬时流场和时均流场中旋涡结构特征,给出了不同工况下分离区长度L及斯特罗哈数St与雷诺数的关系.     

串列双圆球的流场转捩研究

本文对虚拟边界法加以改善并推广到三维多连通区域的数值模拟上去,研究了不同雷诺数下串列双圆球的流场转捩现象.结果显示小间距比串列双圆球绕流场的第一分叉点位于雷诺数150～175,第二分叉点位于雷诺数225～250.大间距比绕流场的第一分叉点位于雷诺数170～200.转捩点的位置与单圆球绕流相比有不同程度的提前.给出了切面内流态沿流向的发展变化,捕捉到极限环现象,发现下游尾流场的涡结构分别脱落自下游圆球的上表面和下表面,两个来源处的涡脱频率为倍频的关系,随着雷诺数的增加存在频率竞争和占优频率交替的现象.     

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(Re300)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。     

高雷诺数下并列双圆柱绕流的大涡模拟

为澄清并列双圆柱结构发生偏向流现象的流场机理,采用大涡模拟(LES)方法,在高雷诺数下(Re=1.4×10~5)研究了并列双圆柱的气动性能及其流场特性随圆柱间距比P/D(P为圆心间距,D为圆柱直径)的变化规律,重点探讨了小间距并列双圆柱的偏向流现象及其对圆柱气动性能的作用机理.研究结果表明:大涡模拟方法得到的气动力结果与文献风洞试验值吻合良好;随着并列双圆柱间距的增大,绕流场会呈现单一钝体、偏向流和平行涡街等多种流态结构;当P/D=1.1时,绕流场会间歇性地出现单一钝体和偏向流流态,两种流态的气动性能和流场特性有很大差异,圆柱的气动力会随时间发生剧烈变化,呈现非稳态特征;当P/D=1.2～1.5时,绕流场呈现偏向流流态,两个圆柱的气动力和尾流呈现不对称现象,偏向流的偏转方向会出现间歇性地变化,尾流涡脱强度弱,气动力脉动小;当P/D=2～4时,绕流场总体呈现平行涡街流态,尾流涡脱强度强,气动力脉动大,气动干扰减弱.     

梯形平面反对称布置双塔楼的风场干扰研究

针对梯形平面反对称布置双塔楼的风场作用和相互干扰研究较少的情况,首先对方形平面高层建筑的绕流进行数值模拟,并与风洞试验结果及其他数值模拟结果进行比较,验证了计算方法的可靠性;然后采用有限元对梯形平面反对称布置双塔楼在雷诺数较高时的风场进行模拟计算,并与雷诺数相近的圆形平面双塔楼的绕流进行比较,重点研究了平面形状对高层建筑受力系数的影响。结果表明：梯形平面单塔楼的平均阻力系数可以通过矩形平面单塔楼在不同长宽比下平均阻力系数的变化规律来定性判断;随着梯形平面双塔楼间距比的增大,存在受力系数发生明显变化的临界间距比;圆形平面双塔楼之间狭缝流体的动量较大,其受力系数发生变化的间距比小于梯形平面双塔楼受力系数发生变化的间距比;在间距比较大时梯形平面双塔楼的尾流干扰明显,而圆形平面双塔楼的尾流干扰可忽略。研究成果不仅可为该工程的抗风设计提供理论依据,而且可为类似建筑的抗风设计提供参考。     

不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算

应用计算流体力学软件Fluent对不种雷诺数下(亚临界区、超临界区、极超临界区)的圆柱绕流进行仿真计算.采用大涡模型(Large-eddy simulation),不可压缩的Navier-Stokes方程,计算了三维圆柱绕流的气动力特性.系统分析了涡脱落形态,阻力系数,Strouhal数随雷诺数的变化情况.数值计算结果表明流动呈明显的三维特性,在105≤Re≤106时出现阻力危机现象,从亚临界区、超临界区到极超临界区,涡脱落形态由规则到不规则再到规则.     

方柱绕流的数值模拟

使用计算流体力学CFD软件,模拟方柱在两种情况下的绕流.在第一种情况下,方柱位于流场的边壁,模拟不同雷诺数下流场的流线、压力分布,绘出方柱后面绕流形成的回流区长度随雷诺数的变化曲线并对其进行分析;在第二种情况下,方柱位于流场的中央,模拟Re=200的流场在不同时间步时的速度矢量图.描述了漩涡的生成、成长和脱落的全过程.两种情况下的计算结果与其他文献中的计算数值和试验数据相吻合.     

基于动态Smagorinsky-MRT-LBM的圆柱绕流湍流研究

采用多松弛格子玻尔兹曼与大涡模拟的动态Smagorinsky亚格子涡粘模型相结合的方法对圆柱绕流湍流进行模拟,研究300至10 000不同雷诺数下的单圆柱绕流湍流涡的周期性变化。研究结果表明:计算所得的斯考特数值和阻力系数值与文献中实验结果以及有限元仿真结果基本一致,说明该方法对于不同雷诺数的湍流模拟是合理的。     

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～6D,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.     

串列双圆柱绕流的模态特征及流场重构

为探讨不同间距下,串列双圆柱绕流场特征的内在变化规律,在低雷诺数Re=100下,针对间距比为P/D=1.1~5的串列双圆柱,通过动力学模态分解（dynamic mode decomposition,DMD）方法对其绕流场进行模态分解,并基于DMD的主导模态建立降阶模型,重构了串列双圆柱的涡量场。结果表明:串列双圆柱的3种流态,即单一钝体（P/D=1.1~2）、剪切层再附（P/D=3）和双涡脱流态（P/D=4~5）,呈现明显不同的子模态特征;随着间距比的增大,与圆柱涡脱频率对应的模态结构会逐渐由下游圆柱尾流转移至上游圆柱尾流,此主模态表征了3种流态随间距比演变的内在机制;与单一钝体及剪切层再附流态相比,双涡脱流态的下游圆柱近尾流区的高阶模态结构更为复杂,流场重构时需要更多模态才能达到与其他两种流态相似的精度,在尾流旋涡影响区的重构误差最大。     

均匀流作用下悬浮隧道管段水动力参数分析

为研究断面形状对悬浮隧道管段绕流升力系数以及阻力系数的影响,采用RNG k-ε湍流模型,通过ADINA流体模块对8种不同几何形状、高宽比系数的悬浮隧道管段在均匀流作用下的绕流场进行了数值模拟,分析了悬浮隧道管段绕流升力、阻力系数的变化规律。结果表明：管段曲率是影响绕流场的重要参数,减小高宽比系数,采用平缓曲率断面可显著减小绕流升力、阻力系数;具有棱角的方形、长方形断面绕流升力、阻力系数均较大,压力变化复杂,不利于结构稳定;在相同断面面积的条件下,采用多边形断面以及曲边形断面设计可以大大减小绕流升力、阻力。     

双自由度子母管线涡激振动数值研究

为了研究双自由度子母管线周围的绕流特征,本文采用高精度浸没边界方法模拟了不同布置条件下双自由度子母管线的涡激振动特性,探讨子母管线质量比、间距比、空隙比和角度对子母管线低雷诺数振动特性及水动力的影响。结果表明:随着子母管线的质量比和间距比的增大,管线涡激振动的最大振幅逐渐减小,发生锁定的区间也变窄。不同角度对子母管线涡激振动的抑制作用不同,子管与母管并列时对子母管线涡激振动的抑制作用更强。另外通过对流向和横向耦合振动的分析可发现,低质量比时流向振动对横向振动的振幅和频率影响较大,而高质量比时这种影响相对较小。