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。     

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。     

低Reynolds数横向排列双圆柱绕流的POD-Galerkin谱方法数值模拟

该文将恰当正交分解(POD)方法应用到低Reynolds数(Re)二维横向排列双圆柱绕流问题.采用Fluent数值模拟得到Re=90时的流场数据库,在此基础上采用snapshot的方法构造了POD基.基于此POD基,构造了求解二维不可压缩Navier-Stokes方程组的低维Galerkin谱方法.采用该低维数值模拟方法,再现了低Reynolds数横向排列双圆柱绕流的多种复杂流动模式,其结果与已有的高精度直接数值模拟的结果符合较好,而计算量却非常小,显示了POD方法的有效性和优越性.     

半无界流场中圆球壁面升力和阻力的特性研究

该文基于准定常"运动相对性"的三维数值模拟方法,在静止黏性层流流体中,对平行于单壁面运动的刚性圆球所受壁面升力和阻力的动力学特性进行数值研究。研究结果表明:①壁面作用是增强阻力;②在近壁处,当Re100时,升力系数随着雷诺数和圆球与壁面距离的增大而减小。然而,当Re100时升力系数却急剧增大;③在远壁处,Re10时已不存在壁面效应,与无界绕流一致,但Re10时壁面效应依然存在;④颗粒自转对阻力的影响很小,但会略微增加升力,且由自转所诱发的升力主要是由周围流体压强决定。这些结果均有助于促进对限制边界内颗粒水动力学行为的研究,深化对壁面效应层流场中颗粒输运现象的认识。     

高雷诺数下圆柱绕流与大振幅比受迫振动的数值模拟

利用CFD方法,研究较高雷诺数下圆柱绕流及圆柱大振幅比横向受迫振动特性。在Navier-Stokes方程和k??湍流模型的基础上,对圆柱绕流分别进行了二维与三维的数值模拟,得到了圆柱绕流的升力系数和漩涡发放频率数等结果。研究结果表明,三维模拟的升力系数均小于二维模拟结果。利用Fluent的动网格技术进行大振幅比圆柱横向受迫振动的研究,得到圆柱在不同振动频率时的升力系数及漩涡发放规律和圆柱在特定振幅及频率下的"锁定"区间。     

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。     

引入动力模式的DDES模型及其在大分离流动中的模拟应用

该文研究了引入LES模型中的动力模式的DDES模型在大分离流动中的模拟应用。引入动力模式的DDES模型(动力DDES模型)根据流场特性动态地决定模型系数,理论上能够捕捉到更多的湍流小尺度运动。为了验证动力DDES模型的模拟表现,分别应用动力DDES模型和DDES模型对雷诺数Re=3900的三维圆柱绕流和雷诺数Re=22000的三维方柱绕流进行了数值模拟,比较分析了这两种模型计算的时均流场特征和瞬时流场特征。结果表明,引入动力模式对DDES模型计算的流场特征有一定的改善,同时动力DDES模型可以模拟更精细的瞬时流场湍流结构。     

前缘倒圆角方柱绕流的大涡模拟

该文基于FLUENT软件采用大涡模拟方法对前缘倒圆角方柱绕流的气动特性进行数值研究。首先分析网格质量对二维大涡模拟结果准确度的影响,得出适用于钝体绕流大涡模拟计算的网格标准;然后对比二维和三维大涡模拟计算的升阻力系数、脱落涡频率、回流区长度和瞬态流场旋涡结构,以及尾迹速度分布,并与实验结果对比。最后得到二维和三维大涡模拟方法在钝体绕流非定常特性研究中的适用性。结果表明:二维和三维大涡模拟均能捕捉流场中大尺度旋涡结构,预测的脱落涡频率与实验偏差均小于0.4%;三维大涡模拟结果相比于二维大涡模拟与实验结果更加吻合。     

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.     

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。