梯形截面振子水动力特性数值研究

流致振动现象广泛存在于实际工程中,其振动蕴藏的能量是可再生能源捕获利用的研究热点之一。该文对梯形截面振子的水动力特性进行直接数值模拟,分析了不同上下底比值(d/D)的梯形振子绕流流场及水动力特性。结果表明:三角形和梯形截面振子的水动力系数均大于方柱;d/D为0.3的梯形振子升力系数最大,较方柱增长132.75%;d/D≤0.5的梯形截面振子两侧边界层交替附着并产生区别于主流旋涡的近壁次生涡,引起了升力系数的三次谐频;随d/D的增大,旋涡形成长度增加,但尾迹宽度基本不变。     

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...     

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上在零左右振荡,通过频谱分析发现了它们之间的区别。方柱的尾流存在着强烈的非对称相互干扰,且涡有明显的三维性。     

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。     

透水框架的三方柱绕流数值分析

针对四面六边透水框架按高度分层后形成等边三角形布置的三方柱绕流问题进行了数值模拟,分析不同间距比l/d=1.5,2,3,4,5,7下流场分布和各方柱的升、阻力系数以及斯特劳哈尔数的特性。研究结果表明:当l/d=1.5~7时,B,C柱尾流场经历了近处漩涡掺混到近处漩涡分离,远处漩涡掺混到远处漩涡分离,最后形成各自独立的方柱绕流;在l/d=2时,各方柱的平均阻力系数明显减小,并且通过对流场分析发现此间距比下对水流的减速效果最明显;由于B,C柱的存在与单方柱绕流有很大区别:在流场方面,l/d=1.5时,B,C柱限制A柱边界层剪切带的卷起,随间距比的增加这种现象逐渐消失;在动力特性上,A柱的阻力系数明显小于单方柱绕流情况。斯特劳哈尔数Sr随间距比的增大而逐渐增大并趋近于单方柱绕流的值。     

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。     

线性剪切来流对方柱绕流特性影响的数值分析

为研究线性剪切来流对方柱绕流特性的影响,将对流出口边界条件引入特征线算子分裂有限元法中,建立了线性剪切来流的方柱绕流数值模型,并采用均匀来流的方柱绕流模拟结果验证了该模型计算方柱绕流问题的可靠性。数值模拟结果表明,剪切参数k对方柱绕流尾部形成的两排涡影响明显,涡脱落在k较大时被抑制,在k≥0.4时涡量最终形成一个类似三角形的区域;驻点随k的增加逐渐向高速侧分离点移动,在k≥0.3时驻点的位置不再发生变化;平均阻力系数在0.2≤k≤0.25时发生较大变化,平均升力系数在k≥0.2时为负。     

高雷诺数下串列双圆柱绕流的影响因素研究

针对串列双圆柱绕流问题进行了数值研究,利用Fluent软件建立二维数值模型,探究了不同柱体间距、不同柱体表面粗糙度对串列双圆柱阻力系数、升力系数、St数的影响。采用SST k-ω湍流模型,对雷诺数为1×10~6,柱体间距L/D分别为1.75、1.90、2.20、2.50,表面粗糙度Rh在0~0.5%D范围内的串列双圆柱进行数值模拟。结果表明:柱体间距L/D在1.75~2.50范围内,光滑柱体表面下,St数、后柱平均阻力系数会随着柱体间距的增加而增大;同时,柱体间距对升力系数振幅也存在极大影响。改变柱体表面粗糙度,会使柱体间距为1.75的串列双圆柱前柱平均阻力系数在Rh=0.2%D时降低7%,而各柱间距下的后柱平均阻力系数会随粗糙度的增加而减小。研究成果能够为河道桥梁建设和圆柱绕流理论研究提供基础数据。     

方柱绕流数值模拟

利用FLUENT中的RNG k-ε算法对长宽比H/B=1.5方柱绕流进行数值模拟,分别模拟了在雷诺数Re=800的亚临界条件下,4种不同情况下的流动。分别为:流体流过单个方柱,流体流过间距为1H,2H,3H的两并列方柱的流动。根据数值模拟结果,分别得出了4种流动状态下流场,壁面的升阻力系数。并对升力系数进行傅里叶变换,分析及归纳了方柱绕流旋涡脱落的规律。     

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。     

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。     

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。     

串列条件下静止圆柱对振动圆柱的流致振动影响试验研究

利用圆柱群的流致振动进行海洋能发电是当前可再生能源研究的热点之一。由于多柱体绕流存在强烈的相互干扰作用,其流致振动与单圆柱有着明显的区别且运行过程中必然存在某些柱体损坏或停机的现象,对相邻圆柱产生巨大的影响。利用自循环水槽对串列条件下静止圆柱对振动圆柱的流致振动影响进行试验研究。考虑两种工况:(1)上游圆柱固定,下游圆柱可沿横流向自由振动;(2)下游圆柱固定,上游圆柱可沿横流向自由振动。结果表明:对于工况(1),当2.0≤L/D≤4.0时,固定上游圆柱对下游圆柱的振动响应起增强作用,当5.0≤L/D≤7.0时,固定上游圆柱对下游圆柱的振动响应起抑制作用;对于工况(2),当2.0≤L/D≤3.0时,固定下游圆柱对上游圆柱的振动响应起增强作用,当L/D=4.0时,固定下游圆柱对上游圆柱的振动响应起抑制作用。随着间距比的增大,振动圆柱的涡激振动(vortex induced vibration,VIV)上端分支范围逐渐减小。相比于工况(1),工况(2)中上游圆柱的振动响应对间距比更为敏感。     

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。     

双圆柱在不同排列方式下绕流流态模拟

双圆柱绕流伴随着流动分离、旋涡生成与脱落、旋涡间相互干扰等复杂问题,其流动形态和流动特征受圆柱相对位置影响。使用FLUENT流体软件,选取间距比1.75,2.5和4,在二维层流模型下,模拟了双圆柱串列、30°夹角错置、60°夹角错置和双圆柱并列绕流,分析了双柱绕流流态、旋涡脱落形态、升力、阻力系数随圆柱相对位置改变而变化的规律,并对比已有的试验成果和模拟成果,为桥梁建设和圆柱绕流理论研究提供了基础数据。     

多圆柱绕流旋涡脱落和流场形态概论

当流体绕多个圆柱流动时,圆柱的个数、相对位置和大小都明显影响着绕流流场结构。基于已有研究成果,归纳总结了流场中放置双圆柱、三圆柱、四圆柱和流场中主圆柱附近放置1个或2个附属小圆柱时,随圆柱相对位置变化,流场结构和旋涡脱落状态的演变规律。双圆柱相对位置分串列、并列和错置3种,其绕流流态按间距比和水流攻角对旋涡脱落形态的影响划分,流态在临界间距比上下变化很大;三圆柱呈“品”字布置,当间距比小于临界值时,出现明显的偏流现象,大于临界值后不再出现偏流现象;三圆柱呈倒“品”字布置,在任何间距比下,流动状态相对于来流几乎都是对称分布的;四圆柱绕正方形排列,实验研究发现上游两圆柱后没有旋涡形成和脱落,下游两圆柱旋涡脱落反相同步,而数值模拟得到上下游柱后都有明显的涡脱落;主圆柱尾流中存在附属小圆柱时,调整小圆柱的位置能够有效抑制尾流中的旋涡脱落。     

单向流作用下多桩承台式基础局部冲刷数值模拟研究

该文在清水条件下，对海上风电多桩承台式基础的局部冲刷进行了数值研究。结果表明，冲刷过程、深度和流场特征受到桩间距比(G/D=2.0～5.0,G为桩柱中心距，D为桩柱直径)的影响显著。不同G/D下，冲刷坑形态产生较大差异：当G/D=2时，冲刷特性与单桩局部冲刷特性较为相似；当G/D=3时，上游桩后尾涡脱落相互作用，产生顺流向涡结构，显著削弱了下游桩前马蹄涡强度，降低了冲刷速度。；当G/D=4和5时，上游桩后尾涡脱落作用于下游桩，加速下游桩周泥沙起动，在下游产生了更大的冲刷深度。此外，还讨论了不同G/D情况下的尾涡脱落模式及其与泥沙运输的相互作用。     

三角形排列圆柱绕流尾流模式及其流体力特性

该文采用基于嵌入式迭代浸入边界法对等边三角形排列的三圆柱绕流进行了数值模拟研究,其中上游为一个圆柱,下游为并列两圆柱,雷诺数为Re?100,间距比为L*?1.0-6.0。依据流体力特性和旋涡排列的不同,将尾流模式分为6种,分别为单体模式(L*?1.0-1.4)、偏斜模式(L*?1.5-1.9)、FF(Flip-Flopping)模式(L*?2.0-2.5)、反相模式(L*?2.6-2.8和3.5-4.1)、同相模式(L*?2.9-3.4和4.2-4.5)和共同脱涡模式(L*?4.6-6.0)。其中,偏斜模式下,下游两圆柱的间隙流会稳定偏向其中一个圆柱,使得两圆柱的尾流宽度不同,对应的阻力均值也不相等。在上游圆柱剪切层的作用下,FF模式中间隙流偏斜方向切换的时间间隔要明显大于相同雷诺数下并列双圆柱绕流时的情况。为深入研究各尾流模式的特性,分析了不同模式下三圆柱流体力系数的变化情况及其原因。当1.9?L??4.6时,上游圆柱的剪切层进入下游两圆柱的间隙,使得下游两圆柱出现相互吸引。当4.8?L??5.5时,下游两圆柱与上游圆柱脱落旋涡的作用不一致,使得下游两圆柱的流体力系数不相等。     

双圆柱下游污染物浓度分布特性研究

利用计算流体力学(CFD)方法,在雷诺数Re=1×10~6的条件下,对双圆柱不同布置方式下的污染物绕流现象进行了数值模拟,比较了双圆柱在不同排列方式和间距条件下对流场结构以及污染物输移混合特性的影响,分析了横向尾涡摆动和纵向速度剪切作用对污染物分布的影响机制。结果表明,双柱并列条件下,随着间距比G/D的不断变化,污染物浓度脉动强度分布沿程表现出先增大后减小的变化趋势;G/D≥2时,双圆柱各自产生的尾流涡街相互作用程度较弱,可忽略对其污染物扩散的影响。双柱串列条件下,污染物的横向影响范围经历了先增大后减小的过程;G/D≤0.25时,双柱串列可视为一个整体。     

框架墩式码头结构绕流数值模拟

基于FLUENT软件,针对不同方柱排列组合进行绕流数值模拟,得到不同间距比时各方柱水流阻力系数及三维流场情况,探寻框架墩式结构水流力分布规律。计算结果表明,简单的双方柱串、并联时,方柱阻力变化较有规律;双排并列三方柱绕流时,第一排方柱阻水作用显著,处于尖角位置的方柱绕流参数呈现对称现象,各方柱阻力明显增大,但阻力变化已无规律可循;当上下横撑间距为3倍横撑直径时,相互间影响已经较小;处于上游第一排横撑的水流阻力系数与单方柱时基本相同,第二排横撑所受水流阻力明显减小,与水流方向一致的纵撑其水流阻力可忽略不计。