三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。     

基于LES的亚临界和超临界圆球绕流数值研究

三维圆球绕流是流体力学中的经典问题,国内外学者曾对此进行过许多研究,但大多局限于较低雷诺数。该文采用基于动力亚格子模型的大涡模拟对亚临界雷诺数(Re=10~4)和超临界雷诺数(Re=1.14×10~6)等高雷诺数下的圆球绕流进行了数值仿真计算。计算结果表明,得到的阻力时均值和经典Re-Cd曲线相吻合,相比于亚临界雷诺数,超临界雷诺数下近球面回流区剧烈收缩,阻力系数锐减;圆球尾流场明显偏离了中心轴(x轴),导致了侧向力的存在;球后有大尺度的规则涡从圆球表面脱落。     

用SST-DES和SST-URANS方法数值模拟亚临界雷诺数下三维圆柱绕流问题

基于剪切应力运输(shear stress transport,SST)的分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)在近壁面的流动区域采用SST模型,而在其他区域采用亚格子模型求解流场。本研究中分别应用SST-DES和SST-URANS方法对亚临界雷诺数Re=3900下的三维圆柱绕流进行了数值模拟,比较分析了两种数值方法下圆柱表面的时均压力分布、圆柱后方的漩涡脱落特征、圆柱下游流场的时均速度剖面分布等,并将数值模拟结果同前人物理试验比较,结果表明SST-DES方法在亚临界雷诺数下的三维圆柱绕流数值模拟问题上比SST-RANS方法具有更好的效果。     

不等直径串列圆柱绕流大涡模拟

为研究背负式海底管线中增设的小直径附属管线对主管线的水动力影响,将大涡模拟中经典Smagorinsky亚格子模型与特征线算子分裂有限元法结合,并引入出口对流边界条件,完善了基于特征线算子分裂有限元的大涡模拟方法。通过自编程序数值模拟Re=1 000的单圆柱绕流,计算结果与相关文献吻合较好,验证了该算法计算圆柱绕流的有效性,并分析了Re=1 000时不同直径比、间距比情况下的串列双圆柱绕流,根据流场的不同涡脱落形态及两圆柱平均阻力系数、升力系数随直径比、间距比变化的规律得到了不同直径比条件下的临界间距范围。达到临界间距后,流场由单一涡脱落状态转变为双涡旋脱落状态。最后分析了两圆柱平均阻力系数及升力系数在临界间距后急剧增加的原因,为背负式海底管线的布局优化提供了理论依据。     

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。     

基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟

该文采用计算流体软件CFX5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性。使用有限体积法对三维N-S方程进行求解。数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性。数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性。     

基于能量比系数的圆柱栅绕流LES方法研究

圆柱阵列流场不但是工程上常见的流动换热结构,而且绕流问题与湍流涡发展研究密切相关。该文采用数值模拟算法研究了不同雷诺数下的单列圆柱栅绕流的不可压缩流动。比较了非定常RANS方程计算得到的湍动能和耗散率,引入湍流能量比系数对初始计算网格进行重新划分和局部加密,进而建立适宜于大涡模拟网格尺度,其结果与PIV和RANS结果进行对比。结果表明,在湍流流场区域能量比系数达到30%-40%的情况下,就可得到工程实际需要的精确计算结果,这大大减少LES算法所需要的计算网格总数和时间。     

近壁水平圆柱绕流漩涡特性流场计算

该文运用计算机数值模拟了均匀流绕固定圆柱的流场.对3种模型进行了分析,分别是:孤立圆柱绕流、串列双圆柱绕流和并列双圆柱绕流.实验中主要模拟了雷诺数为20、40和100时的绕流流动,并得到流场的速度等值线图、速度欠量图和流线图.计算结果发现:当雷诺数为40时,流场有明显变化,有趋势但并没有形成明显的卡门涡街.     

不同长细比圆柱绕流的大涡模拟

自从人们对层流圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流问题,但高雷诺数下的圆柱绕流具有很强的三维特性,因此在数值计算时模型轴向长度的选取是大家关心的问题。该文基于开源软件OpenFOAM运用LES计算了4种不同长细比圆柱的静止圆柱绕流(包括一个二维算例),重点分析和对比了结果中的一些基础参数如St数、平均阻力系数等,与实验结果吻合良好。文中还进一步分析了时均顺流向速度U在流场中沿流向和横向的分布,发现长细比为π的圆柱算例中,计算域的轴向尺度已经能满足圆柱下游靠近圆柱处的流场中的三维结构的发展。     

流向振荡圆柱绕流中的涡脱落模态分析

本文用有限体积法对平行于均匀来流方向受迫振荡的圆柱绕流问题进行了二维数值模拟。雷诺数选取Re=200、855等几种亚临界雷诺数情况。研究了不同振幅和振动频率下的流场结构、涡脱落模态和一些重要流动参数如升阻力系数、Strouhal数的变化关系。西文计算表明，流向振荡圆柱绕流中涡脱落方式可划分为对称与反对称两种形态，在反对称的涡脱落现象中又观察到了三种基本模态，相互竞争的各种模态间的共同作用对流动特征起决定性作用。同时计算结果还验证了在圆柱绕流实验中观察到的频率锁定现象。     

非淹没圆柱群局部水流场特征分析

本文基于带自由表面水动力学数值模型,采用双方程k-ω的剪切应力输运(SST)湍流模式,对非淹没刚性圆柱群水流场进行了三维数值模拟。通过与实验数据的对比分析,验证了模型的有效性及模拟精度。通过圆柱群绕流场特征的模拟分析,探究了不同圆柱雷诺数和固体体积分数对柱群内剪切层渗入长度(δ)、柱群后尾流区剪切层长度以及床面应力空间分布特征的影响。     

高阻塞率方柱绕流的大涡模拟

该文采用PIV测速技术和大涡模拟(LES)数学模型对雷诺数Re=13 400,阻塞率为22%的方柱绕流进行了研究,探讨了高阻塞率对方柱绕流流场的影响,并与先前的研究结果进行了比较。研究发现:大涡模拟能很好地再现方柱绕流的流场特征;高阻塞率下方柱绕流的斯特劳哈尔数和阻力系数都有所增大;阻塞率增高导致紊动能增加,使得方柱上游端横断面上的纵向速度脉动与横向速度脉动比低阻塞率情况下强。     

槽道中方形障碍物绕流的大涡模拟

本文应用二阶全展开ETG有限元离散格式与大涡模拟相结合的方法对固定在槽道一侧的方形障碍物的绕流进行了数值模拟，计算了雷诺数为40000的湍流情况下的绕流流场，将模拟结果与实验结果及他人的数值结果进行了对比，符合较好，表明大涡模拟与所论的具有较高精度的数值算法相结合，适合于具有大尺度涡的绕流运动流场的分析。     

亚临界雷诺数下电磁力控制圆柱体绕流场特性的脱体涡模拟

该文利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,采用脱体涡模拟(DES)方法,在亚临界雷诺数(Re=5×104)下,对电磁力作用下圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果显示:电磁力可以增大圆柱体近壁面的流体动能,延缓流动分离,减弱绕流场的三维效应;同时电磁力还可以显著减小圆柱体阻力,抑制其阻力与升力脉动幅值,而且随着电磁力作用参数的增加,圆柱体平均阻力及其升力系数均方值均呈指数衰减特征.研究表明,在亚临界雷诺数下,电磁力可以有效地改善圆柱体绕流场结构,达到减小其阻力并抑制其升阻力脉动幅值之目的,因此是圆柱型结构一种有效流动的控制手段.     

串列布置下倒角柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究串列布置情况下，倒角变化对柱体绕流水动力特性的影响，该文采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3 900和间距比L/D=3条件下，6种不同倒角(R⁺=0.0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)串列布置的柱体三维流场，模拟工作验证有效。分析了柱体后方水动力参数、瞬时流场和时均流场的变化情况，分析结果表明：随着倒角增大，上下游柱体的平均阻力系数C_d-ave变化趋势相反，上游柱体C_d-ave逐渐变小，而下游柱体的C_d-ave逐渐上升且均为负值；随着倒角增大，上下游柱体Sr数值相同并出现先增大后减少的趋势；两柱体之间的回流速度曲线下切深度明显增加，速度最小值出现处从下游柱体两侧向中心不断变化；串列布置下游柱体尾流宽度显著变小，在间距比L/D=3条件下，剪切层的初始分离均发生在上游柱体倒角转折处，并附着于下游柱体前端及两侧。该研究结果可为柱体绕流研究及相关工程应用提供参考。     

基于FLUENT的小雷诺数下方柱绕流的数值模拟

采用FLUENT对小雷诺数（Re〈52）下方柱绕流进行数值模拟,分析方柱后对称反向漩涡的图谱与漩涡尺寸的特点,分析研究表明：在小雷诺数下,方柱绕流的图谱与圆柱绕流图谱相似,并存在两个特征雷诺数,但两个特征雷诺数较圆柱绕流的小些;方柱绕流对称反向漩涡尺寸与雷诺数呈线性关系变化,并且漩涡发生得比圆柱绕流更为剧烈;方柱绕流柱体后的漩涡能够较容易达到稳定状态。研究结论进一步丰富方柱绕流问题。     

均匀来流中大长径比深海立管涡激振动特性

提出了一种对大长径比深海立管涡激振动特性进行三维耦合数值模拟的方法。其中,流场采用大涡模拟方法进行三维数值模拟,结构振动采用基于薄壳模型的有限元方法进行数值计算,并采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的新方法,实现了流体与固体之间的三维耦合数值模拟。在雷诺数Re=3400和11000下,对某长径比为1200的深海立管模型在均匀来流中的横向涡激振动特性进行了数值模拟与分析。结果表明,大长径比柔性立管的横向振动响应对其尾涡动力特性会产生显著影响,包括会出现涡泄频率显著增大和多频涡泄等复杂现象。尽管来流是均匀的,但立管的横向振动响应会出现明显的多模态特征,除了包含有与涡泄频率一致的振动响应外,还包含有其它频率成分的振动响应。特别地,还会出现多种高阶模态振动共存的非对称复杂弯曲变形等现象。研究表明,该方法为研究深海立管涡激振动特性及其工程预报的相关问题提供了一种有效的途径。     

绕扭曲翼型三维非定常空泡脱落结构的数值分析

该文以一种三维扭曲翼型为研究对象,采用均衡流空化模型和基于滤波器的湍流修改模式模拟了绕翼型非定常空化流动。计算结果显示,在一定条件下绕翼型的空泡流动存在两种脱落结构,即主体脱落和二次脱落。进一步的流场分析表明回射流和侧面射流是这两种空泡脱落结构产生的主要原因。计算结果与试验的比较说明,该文采用的数值模拟方法可成功模拟实验观测的空泡脱落现象。     

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。     

用两相流模型模拟混流式水轮机内空化流动

本文采用两相流中两流体模型模拟混流式水轮机转轮内三维湍流空化流场, 基于两相流中两流体模型的理论和方程, 推导了水轮机转轮中空化两相流的两流体基本方程, 并利用k-ε-kp两相湍流模型计算水轮机转轮中三维空化两相湍流. 计算结果包括了液相和空泡相的主要流动特征, 模拟结果可初步预测流体机械空化性能, 缩短模型试验周期.