特征线算子分裂有限元的圆柱绕流大涡模拟

为研究圆柱绕流流场特性,将大涡模拟与特征线算子分裂有限元相结合,建立了大涡模拟特征线算子分裂有限元模型,对单圆柱和串列双圆柱绕流问题进行了数值模拟,所得结果与现有研究结果吻合较好。模拟结果表明:对单圆柱绕流,随着雷诺数的增大,圆柱近尾流区上下交替的涡旋逐渐靠近通过圆柱几何中心的水平线,且涡脱落位置逐渐靠近圆柱。对Re=1 000的串列双圆柱绕流,临界间距在圆柱直径的2.25~2.5倍之间;当两圆柱间距小于临界间距时,上游圆柱后方无明显涡旋脱落,间隙处压力较稳定;大于临界间距时,有涡旋脱落,上游圆柱尾流区上下表面交替出现强负压区。     

附加附属管的隔水管涡激振动离散涡模拟

该文采用离散涡数值方法,对附加附属管的隔水管涡激振动问题进行了模拟。计算了配置4–10根附属管情况下隔水管涡激振动问题,将附加附属管后隔水管的受力系数、振幅与裸管的结果进行比较,同时也研究了不同来流攻角对附属管涡激振动的影响。结果表明,附加附属管后隔水管振幅与裸管相比,受力系数与振幅均有不同程度地减小,对隔水管涡激振动的抑制效果明显。不同数量的附属管对来流攻角的敏感性也各不相同,附加6、8和10根附属管都有很好的抑制效果,其中附加10根附属管对隔水管的抑制效果最好,减幅约达到50%,且对来流攻角的敏感性也最低。     

明渠流淹没丁坝周围流场特性的实验

为了研究淹没丁坝对水流的影响,对单丁坝周围水流结构进行了定床实验研究,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV),获得了丁坝周围水流的流速信息,从多方面对水流结构进行分析,在此基础上分析了淹没丁坝的绕流机理。结果表明,淹没丁坝周围的水流结构具有强三维非恒定特性,在瞬时流场下,丁坝后的尾流紊动强烈,丁坝坝头和坝顶是涡旋的发源地,在坝后流速梯度较大的区域,紊动强度值和平均涡量值均偏大。     

垂直上升气液两相流中三角形柱体两相斯托拉赫数的研究

本文试验研究了两种规格三角形柱体，在垂直上升气液两相流中，发生气液两相涡街时，气液两相斯托拉赫数的变化规律。在测得大量数据的基础上，得出了发生气液两相涡街时，气液两相斯托拉赫数的通用关系式，研究表明，气液两相斯托拉赫数在两相工况下为一变数，与来流截面含气率、涡街发生体形状和特征尺寸、来流方向等因素有关，应用此关系式，根据测得的两相涡街频率可钎涡街发展体作为测量两相流流量与组分的测量元件。     

防撞浮箱对桥墩绕流影响的数值研究

在桥墩自由液面处加装防撞浮箱是目前常用的桥墩防撞方法。为了揭示防撞浮箱对桥墩绕流的影响,该文选取圆形桥墩,通过求解不可压缩流动RANS方程,采用雷诺应力(RSM)湍流模型,数值模拟了加装防撞浮箱的桥墩绕流。首先通过与圆柱绕流模型试验的对比,验证了数值仿真方法的合理性和结果的精确度;然后再进行不同水深下,加装不同截面形状和不同截面尺寸防撞浮箱的桥墩绕流数值计算,分析了防撞浮箱和水深对桥墩阻力系数、流场结构以及桥墩局部冲刷的影响。结果表明：加装防撞浮箱将增大整个结构的阻力,改变桥墩后部的涡结构;防撞浮箱截面形状和尺寸的变化都会对桥墩绕流产生影响,进而影响桥墩自身结构和桥区航道的安全通航,此外水深变化也是不可忽略的因素。研究结果可为桥墩防撞浮箱设计提供相关参考。     

雷诺数对近壁面圆柱绕流和壁湍流相互作用结构特性的影响

该文采用流动显示和PIV对近壁面放置圆柱的流场进行了精细测量,重点研究了不同雷诺数下近壁区圆柱绕流与壁湍流的相互作用规律、尺度演化规律及标度律特性.当雷诺数从10 600降至4 800时,波数能量级串标度行为呈现从-5/3至-1变化规律.而联合概率密度分析发现随雷诺数的下降,大尺度结构出现的概率降低,而雷诺数在5 60...     

方形桥墩紊动特性及尾涡区尺寸PIV试验

为探讨方形桥墩周围紊动特性和墩后尾涡区尺寸变化规律,基于粒子图像测速(PIV)技术对方形桥墩附近水流结构进行了测量,并对不同雷诺数(7500≤Re≤20000)下方形桥墩附近紊动特性和墩后尾涡区尺寸进行了分析。结果表明:墩侧紊动强度沿横向先增大至极大值,而后迅速减小至零附近,且随着雷诺数的增大,墩侧水流紊动的影响范围逐渐扩大;根据实测数据,拟合出桥墩相对紊流宽度和墩后尾涡区相对时均体积与弗劳德数的关系式,两者与弗劳德数分别存在较好的幂函数和二次函数关系,同时拟合得到了墩后尾涡区相对时均面积与相对水深和弗劳德数的关系式,且相关性良好。     

双圆柱绕流的大涡模拟

基于FLUENT软件平台上的三维大涡模拟方法,对定常来流流场中的单圆柱及不同排列形式的双圆柱进行了水动力计算,并对圆柱周围的瞬时流场、时均流场以及圆柱受力进行了分析.分析结果表明,当Re=6×104时,串列双圆柱中上游圆柱受力明显大于下游圆柱,下游圆柱Gd、Cl的变化频率满足fd=2fl,两圆柱的脱涡频率近似相等,涡街的相位相同;并列双圆柱的Cd基本相等,且变化趋势有一定相似性,脱涡频率均接近单个圆柱,涡街的相位相反;交错45.排列的两个圆柱Cd基本相等,脱涡频率接近,下游圆柱的涡街相位明显滞后于上游圆柱.     

船舶对明渠水流运动的影响模型试验研究

为了探求船舶对于明渠水流运动的影响,利用水位测针和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)系统分别测量了明渠水流中不同吃水工况下船舶前、后的沿程水深及流场,分析了位于船舶中间纵剖面上的流速分布特征。结果表明：(1)相较于无船工况,船前水深略有增加,船后水深略有减少;且船舶对水深的影响程度随着吃水深度的增加而增加,有船与无船水深的比值最大为1.071,最小为0.951;(2)船舶中间纵剖面上纵向垂线流速分布从船头前“J”型向船舶底部的“?”型转变,流经船尾后逐渐恢复为“J”型,且在船头附近形成下潜水流、船尾附近形成上升水流;(3)在船舶吃水深度为0.6h时,纵向(沿水流方向)与垂向(沿水深方向)上都出现各个工况下的最大流速,纵向流速最大值达到无船时平均纵向流速的2.11倍,位于船头附近(x/l=-2/5);下潜水流流速最大值达到无船时平均纵向流速的71%,位于船头附近(x/l=-0.5);上升水流流速最大值达到无船时平均纵向流速的29%,位于船尾附近(x/l=2/3)。     

三方柱绕流的大涡模拟及频谱分析

高雷诺数条件下,无论来流是均匀还是非均匀,多方柱绕流情况下方柱受力及尾流的相互干扰都是相当复杂的.为了研究方柱受力及下游尾流的相互干扰,基于大涡模拟紊流模型对后品字等边布置的三方柱绕流进行了数值模拟,数值模拟结果表明,上游两个方柱的阻力系数要明显小于下游方柱,而上游两方柱升力系数远大于下游方柱,且下游方柱的升力系数基本...     

Circulation characteristics of horseshoe vortex in scour region around circular piers

This paper presents an experimental investigation of the circulation of the horseshoe vortex system within the equilibrium scour hole at a circular pier, with the data measured by an acoustic Doppler velocimeter (ADV). Velocity vector plots and vorticity contours of the flow field on the upstream plane of symmetry (y = 0 cm) and on the planes ±3 cm away from the plane of symmetry (y = ±3 cm) are presented. The vorticity and circulation of the horseshoe vortices were determined using the forward difference technique and Stokes theorem, respectively. The results show that the magnitudes of circulations are similar on the planes y = 3 cm and y = -3 cm, which are less than those on the plane y = 0 cm. The circulation decreases with the increase of flow shallowness, and increases with the densimetric Froude number. It also increases with the pier Reynolds number at a constant densimetric Froude number, or at a constant flow shallowness. The relative vortex strength (dimensionless circulation) decreases with the increase of the pier Reynolds number. Some empirical equations are proposed based on the results. The predicted circulation values with these equations match the measured data, which indicates that these equations can be used to estimate the circulation in future studies.     

基于粒子图像测速技术的明渠圆柱上游行近流特征研究

现有实验测量和数值模拟方法难以准确捕获近水面流动特征,为全面掌握墩柱上游行近来流的内部结构和水面特征,通过明渠圆柱绕流试验,采用粒子图像测速技术对柱体上游的对称垂面进行了测量,获得了行近来流的瞬时二维流场和水面线。在此基础上,对圆柱上游的时均流动和壅水特征进行了研究,得出上游行近来流从水面至床面依次由上升流、近水平流和下降流构成,形成典型的三层结构,其中,上升流厚度随柱体雷诺数增加而变厚,下降流无量纲厚度基本不随柱体雷诺数改变。在靠近柱体的床面附近,边界层与床面分离,分离区内为向上游流动的逆流以及一个马蹄涡和一个次生涡;在靠近柱体的水面附近存在表层逆流以及两个逆向涡。研究结果揭示出边界层分离、表层逆流及柱体本身依次促使行近来流减速,使得沿程水深雍高,壅水末端至圆柱迎水面的水面线符合一元四次函数分布,无量纲壅水长度随着柱体雷诺数的增加而延长。研究成果可作为基于流体体积法等具有自由水面计算能力的明渠墩柱绕流数学模型的验证依据。     

A numerical study on dispersion of particles from the surface of a circular cylinder placed in a gas flow using discrete vortex method

The dispersion of particles emitted from the surface of a circular cylinder placed in a gas flow at the Reynolds number of 200 000 is numerically investigated using the discrete vortex method coupled with a Lagrangian approach for solid particle tracking. The wake vortex patterns, the temporal-spatial distributions and trajectories as well as the dispersion functions for particles with various Stokes numbers（St） ranging from 0.001 to 1.0 are obtained. The numerical results reveal that：（1） Solid particles on the cylinder surface are picked up and then transported away from the cylinder by the wake vortex flow.（2） Solid particles emitted from the cylinder surface always follow the vortices in the cylinder wake, and the response of particles to wake vortices is directly related to their Stokes numbers（particles with St= 0.001, 0.0038, 0.01 can distribute both in the vortex core and around the vortex periphery, whereas those with St= 0.1, 1.0 can not enter the vortex core and congregate mainly around the vortex periphery）.（3） The particles move in rolling state in the wake region, and the dispersion intensity of particles in the lateral direction decreases remarkably as the Stokes number of particles is increased from 0.001 to 1.0.     

绕圆柱非定常周期性涡旋脱落的数值模拟

利用非定常流函数涡量方程数值模拟圆柱突然起动尾流涡旋的形成及周期性脱落过程。对求解的流函数的一阶导数即速度项采用四阶精度的Hermitian公式，而方程的对流项则采用四阶精度的差分格式，并利用ADI方法迭代求解差分方程组。当雷诺数Re不大于40时，圆柱尾流为附体的两个对称涡，为定常解。当Re大于40后流动为非定常及非对称的，圆柱尾流呈现周期性涡旋交替脱落而形成著名的Karman涡街。选择Re=100为例，在初始条件未加任何扰动情况下，成功地模拟了圆柱非定常涡旋形成与脱落的完整过程（无量纲时间算到t=250及以上）。所计算的阻力系数与实验结果及其它数值方法的计算结果一致。约在t=200形成严格的Karman涡街。对涡量方程ADI求解方法的稳定性进行了分析。对流项采用四阶精度差分格式，若应用于定常问题，将极大提高数值求解的精度，若应用于非定常问题的求解，将对求解精度有所改善，其中时间空间两阶混合偏导数的处理是关键，有待进一步的数值实验。     

垂直上升通道内气液两相绕圆柱流动旋涡脱落频率和脉动升力的数值模拟

采用有限容积法，综合考虑了由剪切引起的紊流和由气泡引起的紊流关系式，基于RNGk-ε紊流模型对气液两相绕圆柱流动进行了数值模拟。通过计算发现：对于气一液两相绕圆柱流动而言，旋涡脱落频率随含气率的增大而增大；脉动升力系数先随含气率的增大而缓慢增加，在含气率增大到0．1后增大得较快。并通过实验对模拟结果进行了验证，实验结果与模拟结果较吻合，验证了模拟结果的正确性。     

水平管内螺旋流涡特性数值模拟

螺旋流是工程上常见的流动现象,具有增强湍流度、促进传热传质和提高对颗粒的携带能力等特性。该文采用雷诺应力湍流模型(RSM)对水平管内由短螺旋扭带起旋的螺旋流流动特性进行了数值模拟研究,通过激光多普勒测速仪(LDV)测速实验验证了数学模型的准确性和可靠性。结果表明,水平管内螺旋涡首先在扭带吸力面形成,且形成初期,涡量的大小受主涡影响较大,二次涡形成后,涡量大小主要受二次涡影响。在形成过程中二次涡增强了壁面附近的速度脉动,能够有效地增加介质的掺混。此外,由于二次螺旋涡的存在,使水平径向压力梯度增加,靠近壁面处的轴向速度减小,近壁处切向速度值增大1倍,且径向速度在螺旋流中不可忽略。     

对称突扩水流流态失稳和流场结构

对称突扩分离再附水流现象广泛存在于工程和生活中,流道突扩易产生局部水头损失、压力变化、结构振动、次生噪声等,对称突扩存在流场对称性失稳现象,如管道对称突扩等。然而,由于紊流的复杂性和量测技术的局限性,人们对其流动特性和流态演变规律认识仍然不足,有必要开展对称突扩流动的流场结构分析研究。本文基于物理模型试验和高精度图像粒子测速技术,模拟了不同雷诺数条件下（Re=539~48 911）对称突扩水流流动现象和精细流场结构,包含层流、过渡流和充分发展的紊流典型流态,随着雷诺数Re增加,流态从层流过渡到紊流,从对称到非对称分布,其流态发生对称性失稳,高雷诺数紊流时主流偏向一侧,流场结构相对稳定;揭示了突扩水流主流两侧形成的非对称分布的大尺度涡漩结构,其与流场对称性失稳有关联。     

淹没双丁坝间水流结构特性PIV试验

为探讨淹没双丁坝对坝间水流的影响,采用粒子图像测速(PIV)系统对坝间水平面流场进行了测量,并对坝间水流结构进行了分析。结果表明:丁坝间距与丁坝长度的比值d/B(B为定值)对坝间漩涡中心位置、坝间回流区及涡量分布有着显著影响;d/B越大,坝间"漩涡"中心越接近坝头线;坝间回流区宽度随d/B增大而增大,零速度线基本呈线性关系且其斜率随d/B增大而减小,同时回流区流速也随之发生很大变化;上游丁坝头附近出现最大负涡量而在下游丁坝头附近出现最大正涡量。