流速对圆柱绕流旋涡脱落的分析

本论文应用CFD方法数值模拟了绕流中最为经典的绕流问题即圆柱绕流问题。在不同雷诺数下的,卡门涡街的变化情况。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的关系并通过速度参数图、压力等值线图展示。本文计算分析流向振荡圆柱绕流中涡脱落方式,结果表明:随着雷诺数Re的增加,相对圆柱绕流脱落增大。     

非定常绕流主动控制的数值分析

为抑制圆体后尾流区涡脱落,降低流动阻力;在主圆柱体后方以上下对称方式各设置一旋转小圆柱体,以此实现对流场的控制。采用数值模拟方法,对采用此控制策略下的二维非稳态圆柱绕流尾流流动特性进行了分析研究;考察了Re=200时,附属小圆柱旋转速度α及旋转方向对主圆柱尾流流动特性的影响。数值模拟结果表明:当上部小圆柱顺时针旋转、下部小圆柱逆时针旋转时,可以抑制涡脱落并降低流动阻力;当α=2.4时即可实现对主圆柱体尾流区涡脱落的抑制效果;同时阻力系数和升力系数得到较大幅度降低,圆柱绕流的尾流流动特性被完全改变,有效控制了尾流区的不稳定性;而当上部小圆柱逆时针旋转、下部小圆柱顺时针旋转时,会导致尾流涡量增强,阻力及升力系数增大。     

带有减阻杆的旋风分离器内气体流动分析

利用激光多普勒测速仪(LDV)对装有减阻杆的旋风分离器内流场进行了详细测量,根据流场分布的特点发现在减阻杆后存在明显的绕流尾涡区.对比实验的结果表明不同结构型式的减阻杆后绕流尾涡区的流动分布不同,其中减阻杆的迎风宽度及形状对减阻杆后绕流尾涡区的流动分布有明显影响.由于减阻杆的迎风宽度及形状与减阻性能有关,因此通过对减阻杆后绕流尾涡区的流动分析可以进一步揭示旋风分离器内减阻杆的减阻机理.     

内插梯形扰流片的矩形通道内涡流和传热特性

利用Realizable k-ε湍流模型对带缺口的梯形扰流片进行流动和传热特性的数值模拟,研究了梯形扰流片的缺口位置及流动方式对矩形通道内流场以及传热的影响,同时通过对涡量、流线、流速分布、压力变化、湍流强度等的分析,揭示了扰流片强化传热的机理。结果表明,逆流时Nusselt数比顺流时提高了21.7%,同时摩擦因子也提高了25%。顺流时内侧缺口绕流片提高了传热系数的同时也增加了摩擦阻力,而外侧缺口的绕流片降低了传热系数同时也降低了形状阻力。研究发现较低Reynolds数下(10000相似文献   

过渡流下钝体绕流特性的可视化实验对比

为解明钝体绕流机理,设计了开式低速循环水槽,建立了钝体绕流实验平台。采用粒子图像测速法（PIV）和染色法,对钝体绕流特性进行实验研究。采用INSIGHT 4 G进行全面调控。通过检测水槽不同高度激光面上的流动状态验证实验台稳定性。将PIV及染色法所得数据与已有模拟及实验结果进行对比,验证了实验方法正确性。选取过渡流下特定钝体（圆柱）进行周期研究,探寻钝体绕流周期性。并分析圆柱、方柱绕流在不同Reynolds数下的流动特性异同。实验表明：Re=200时,在一个周期内,圆柱周围正涡、负涡周期性脱落,正涡逐渐形成、增强、消散,负涡也在对应的位置循环发展。通过圆、方柱流动实验对比可知,圆柱绕流分离点不固定而方柱绕流分离点固定,位于其前后锐边上。     

过渡流下钝体绕流特性的可视化实验对比

为解明钝体绕流机理,设计了开式低速循环水槽,建立了钝体绕流实验平台。采用粒子图像测速法(PIV)和染色法,对钝体绕流特性进行实验研究。采用INSIGHT 4G进行全面调控。通过检测水槽不同高度激光面上的流动状态验证实验台稳定性。将PIV及染色法所得数据与已有模拟及实验结果进行对比,验证了实验方法正确性。选取过渡流下特定钝体(圆柱)进行周期研究,探寻钝体绕流周期性。并分析圆柱、方柱绕流在不同Reynolds数下的流动特性异同。实验表明:Re=200时,在一个周期内,圆柱周围正涡、负涡周期性脱落,正涡逐渐形成、增强、消散,负涡也在对应的位置循环发展。通过圆、方柱流动实验对比可知,圆柱绕流分离点不固定而方柱绕流分离点固定,位于其前后锐边上。     

凹壁面切向射流近壁面单颗粒尾流特性的大涡模拟

采用大涡模拟研究了凹壁面切向射流作用下近壁面圆球型颗粒对流体流动特性的影响，模拟获得的尾涡结果与实验示踪剂图像吻合较好。研究了颗粒尾流的涡旋结构及其演变过程，考察了雷诺数Re=700～10 000时颗粒周围速度、涡量及流线变化。结果表明，随着雷诺数增加，颗粒的影响区域涡量增强，涡量的峰值始终出现在颗粒迎流面，颗粒后侧的回流区显著收缩。Re≥2000时在射流展向颗粒后侧存在两个尾涡，流体的切向速率和涡量均发生周期性波动。对颗粒的升力和阻力进行了监控，Re=2000时旋涡脱落频率对应的斯特劳哈尔数St=0.000 854，升力功率谱中峰值对应的St=0.001 52;Re=10 000时阻力功率谱没有发现峰值，升力功率谱中峰值对应的St=0.008 74。     

微通道内单柱绕流特性的Micro-PIV实验研究

采用微观粒子成像系统（Micro-PIV）实验研究了6<Re<300范围内微通道内D=0.4mm圆柱的绕流特性，获得并分析了不同Re下不同高度流层的速度场、涡量场、湍流强度场及回流区漩涡结构。研究结果表明，微圆柱绕流出现漩涡的第一临界Re在10左右，随着Re的增大，尾流区涡长度和宽度增加，尾流区域增大，漩涡中心后移；由于黏性阻滞，越靠近微通道壁面，主流速度越低且分布越均匀；不同高度下回流区长度相同，远离壁面的平面尾流区漩涡中心沿流动方向后移；高涡量区与高湍流强度区分布在微圆柱两侧，说明该位置流体混合较为剧烈，随着Re的增大，涡量增加，高涡量区变窄、变长，湍流强度及高湍流强度区域增大，当Re>200，不同高度流层的湍流强度差别较小。     

尾流中流固耦合的柔性薄板对低雷诺数圆柱绕流的被动控制研究

为了研究探讨尾流中带流固耦合边界的柔性薄板对低雷诺数圆柱绕流的影响,本文基于任意拉格朗日-欧拉方法 (ALE)、有限体积法,通过OpenFoam,在低雷诺数条件下,针对尾流区域的柔性薄板对主圆柱尾流场的被动控制效果进行了数值模拟。从涡脱频率、流场模式等角度剖析了其被动控制的物理机理。结果表明:柔性薄板对涡形成机制的改变是尾流场发生演化的主要原因,在间距比为2.0时可以较好地抑制涡的发生,形成较稳定的流线形涡结构。     

Kenics型静态混合器充分发展段纵向涡演变分析

为分析Kenics型静态混合器内充分发展段沿轴向二次流纵向涡的形成诱因及演变过程,运用大涡模拟对混合器内流场进行研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好. 结果表明,在第7个扭旋叶片所在区域内含3种旋涡,分别为叶片入口分割上一段流体后产生的合并旋涡、随扭旋叶片一起旋转的内流旋涡和绕流旋涡. 绕流旋涡是扭旋叶片高扭率产生的科氏力导致单侧流体压力不平衡,使边界层产生分离形成的诱导旋涡. 沿轴向将第7个扭旋叶片所在区域流场平均分成4段,第一和第二段的横截面上存在5个纵向涡,涡量和湍动强度平均值分别比第三和第四段高23.0%和8.93%. 在相邻叶片的分界面处,旋涡破碎和聚合产生能量损耗,使近壁面的涡量陡增,高出平均值73.0%.     

有序涡旋对三角槽道脉动流强化传热的影响

以水为工质对三角槽道内单相液体充分发展层流脉动传热特性进行了研究。应用粒子图像测速技术（PIV）测得流场内涡的变化规律,从“涡及涡运动”的角度揭示了“有序”的涡生长及迁移过程对脉动流强化传热的影响。此外,应用“场协同”理论,通过数值模拟深入分析了流场特性与传热之间的关系。研究发现,“有序”的涡生长及迁移过程,破坏了流体边界层,促进了近壁区热流场与速度场的协同,同时,强化了三角槽道内流体与主流区流体的掺混,热量输运能力提升;存在最佳的Strouhal数（St）,使得涡旋既能充分发展又能在较短时间脱落进入主流,实现最大效率的壁面换热;有序涡旋对速度场、温度梯度场以及压力梯度场三者协同性的改善是换热性能提升的关键。     

近壁面静止圆球的尾迹特性

圆球在大空间均匀来流下的绕流特性已得到了广泛的研究,但是壁面对圆球绕流特性的影响还未清楚。通过实验方法研究了与壁面接触的静止圆球在明渠流中的绕流特性,重点关注了圆球后尾迹的特性。研究发现,圆球尾迹存在三种状态：稳定状态、非稳定对称状态和非稳定非对称状态。当Re<150时,尾迹呈稳定状态,尾迹关于垂直于壁面的平面对称;当150<Re<400时,尾迹呈对称状态,Reynolds数较高时,圆球后存在规则的、周期性的涡脱落,Strouhal 数为0.26~0.33,脱落涡关于垂直于壁面的平面对称,此时尾迹功率谱的频带分布较宽;而当Re>400时,圆球后的涡脱落不再对称,尾迹随着Reynolds数的增大呈现混沌特征。     

翼型涡发生器对半圆形螺旋通道的换热强化机理

为考察不同形状和布置方式的翼型涡发生器强化半圆形截面螺旋通道的换热特性,对单一以及安装了jxjs、jxjk、sjjs和sjjk 4种涡发生器的螺旋通道内流动与换热特性进行了数值研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明,研究范围内涡发生器前后180°范围内的换热壁面平均Nusselt数与单一通道的相应值之比的平均值在1.044～1.074之间,流动阻力系数f/f₀在1.105～1.188之间。对传热效果而言,矩形翼优于三角形翼,对翼渐缩布置优于渐扩布置。涡发生器产生的纵向脱落涡旋改变了原有的二次流场结构,改善了速度场和温度场的协同性,强化了传热。安装jxjs和sjjs型涡发生器的复合二次流场分别为4涡和2个大涡结构,Re=8000时两者在通道内强化换热作用范围分别可达10.47和12.56倍翼高的距离。     

釜内螺旋半圆管夹套内流体湍流流动特性

采用实验和数值模拟方法对安装在反应釜内壁侧的螺旋半圆管夹套中流体的湍流流动特性进行了研究. 无量纲曲率d=0.133、无量纲螺距t=0.127的夹套中流体湍流速度场的实测与模拟结果吻合较好. 基于正交螺旋坐标系,给出了夹套内流体的速度场,包括平均轴向速度、二次流速度及二次流函数分布. 研究了平均雷诺数Re、d及t对速度场及流动阻力的影响. 结果表明,充分发展湍流条件下,釜内螺旋半圆管夹套横截面上,平均轴向速度最大值的位置有2个,二次流为恒定的4涡结构. 随Re和d增加,2对二次涡的强度及湍流流动阻力fRe均增加. 相对于釜外螺旋半圆管夹套,在0.05≤d≤0.1, 10000≤Re≤18000的范围内,釜内螺旋半圆管夹套中的湍流流动阻力fRe提高了2.13%~7.72%.     

四叶片组合静态混合器湍流传热性能的数值模拟分析

采用Fluent计算软件对四叶片组合静态混合器内湍流换热进行数值模拟并与SK型静态混合器进行对比,结果表明,在104≤Re≤105范围内,前者的传热效率比后者提高约20%. 运用场协同理论对结果进行了分析,新型静态混合器传热效率较高的主要原因为,在一个截面上有4个旋向与叶片旋向相同、旋涡半径近似等于叶片半径的纵向涡及4个旋向与叶片旋向相反、旋涡半径小于叶片半径的纵向涡,这些纵向涡能强化换热;与SK型静态混合器相比,新型静态混合器管内温度梯度基本相同,管内中心区二次流流速一定程度降低,而近壁区二次流流速差别较小,但速度场与热流场的协同程度得到明显改善.     

汽轮机动叶栅顶部泄漏流的大涡模拟

为了分析动叶顶部间隙泄漏流的流场特征和涡量变化规律,以某汽轮机为研究对象,采用大涡模拟方法对无围带和有围带动叶顶部的间隙泄漏流动进行研究。结果表明:无围带时,在0.85轴向截面处,叶顶间隙泄漏流在吸力面形成顺时针漩涡,随着时间的变化,泄漏涡经历了发展、退化的周期性过程;有围带时,叶顶间隙泄漏流在尾缘附近形成逆时针的泄漏涡,随着时间的变化,泄漏涡经历了远离尾缘到靠近尾缘的过程,泄漏流对主流的影响呈现了由强到弱再由弱到强的变化规律。     

二维串列双圆柱流场的大涡模拟和噪声分析

本文运用大涡模拟方法,对串列放置的双圆柱的二维不可压缩流动进行了数值计算.为研究两圆柱不同间距对圆柱间相互作用和噪声的影响,选取间距比S/D(S为两圆柱中心间的距离,D为圆柱直径)在2.0～5.0之问每隔0.5的距离进行数值模拟.计算均在Re=200的条件下进行.计算结果表明:该绕流流动特征在很大程度上取决于间距的大小...     

搅拌管式反应器内流动特性的大涡模拟

采用实验和数值模拟的方法研究搅拌管式反应器内的混合过程,其中数值模拟采用大涡模拟的方法研究了反应器内流体的流动场,并就不同转速条件下流体的混合时间,将大涡模拟数值结果分别与标准k-ε模型的计算结果和实验测量值相比较,结果表明:管式搅拌反应器内的流动是非稳态的,具有不对称性。同时,大涡模拟方法可以预报漩涡,特别是桨叶背面的漩涡。与实验测量值相比,大涡模拟对混合时间的计算精度比标准k-ε模型计算精度高约22.8%,证明大涡模拟方法能够有效地模拟搅拌管式反应器内的流动特性。     

低速旋转盘腔内液体流动特性

利用粒子图像测速测试平台研究了低速旋转盘腔轴向中截面的液体流动特性,并利用Realizable k-e模型对低速旋转盘腔内液体流场进行三维数值模拟,模拟结果与实验值吻合较好,最大相对误差为16.9%. 利用模型方程研究了导流板数、导流板相对长度、进口雷诺数和旋转雷诺数对盘腔内液体流动的影响. 结果表明,盘腔体积平均相对速度及涡量受进口雷诺数(Re)、导流板数、导流板相对长度影响较大,当进口Re从17000升至53000时,体积平均相对速度及涡量分别增加2.4倍和1.6倍;当导流板数由0提高至4时,体积平均相对速度及涡量增幅分别为62%和30%;当导流板相对长度由0.5提高至0.93时,体积平均相对速度及涡量增幅分别为114%和58%. 盘腔压损主要受进口Re的影响,当进口Re从17000升至53000时,盘腔压损增长8倍,而导流板数及导流板相对长度对压损的影响较小,增幅均小于5%. 为强化旋转盘腔内流体与壁面间传热,减小流体阻力,应优化进口Re、尽量增加导流板数和长度.     

变扭率扭旋叶片强化传热特性

为探究扭旋叶片的结构参数--扭率变化率Tv对管道换热的影响,以水为介质,在Tv=-5~5范围内,采用实验和数值模拟方法研究了恒壁温条件下流体的传热和阻力特性,并分析了综合传热性能及强化传热机理。结果表明,沿流动方向Tv>0的扭旋叶片安装方式强化传热效果优于Tv=0,研究范围内Tv=2.5时综合强化传热比最高,相对Tv=0平均提高5.0%。而Tv<0时强化传热效果劣于Tv=0,应避免此种叶片安装方式。扭率的变化影响了流场结构,当Tv>0时,在近1/2流动区域内绕流旋涡的涡量和影响区域明显增加,同时,在绕流旋涡流动区域,压力、速度和温度的三场协同程度得到提高,进而强化了换热管道的传热效果。