喷射气流对横向振荡圆柱体尾流抑制的影响

对雷诺数Re=1200条件下的圆柱在均匀来流中横向受迫振荡的尾流控制问题进行数值模拟分析.通过尾部加喷射气流对不同旋涡脱落模式进行尾流控制,通过对圆柱在不同振幅和振荡频率下涡脱落情况进行观察研究,最终在无量纲振荡频率feD/V=0.21,振幅比A/D=0.5情况下发现了2S旋涡脱落模式并通过在柱体尾部施加不同速度的喷射气流对其进行控制;在feD/V∞=0.189,A/D=1.5情况下发现了P+S旋涡脱落模式并在柱体尾部施加不同速度的喷射气流对其进行控制.涡量图和功率频谱图结果表明,在2S模式下,喷射气流对旋涡脱落抑制效果明显,尤其当喷射速度Ve=5m/s时效果显著.而在P+S模式下,当喷射速度Ve=2.5m/s时旋涡脱落抑制效果较好,而当喷射速度Ve分别为5m/s和7.5m/s时,抑制效果一般.     

尾部喷射对横向振荡柱体尾流的抑制

沿圆柱的一条母线开一条宽度h/D=0.02的狭缝作为喷射口,并使其与来流平行.研究了雷诺数Re=4 400、无量纲振荡频率feD/V=0.019,Re=6 900、feD/V=0.048和Re=2 400、feD/V=0.25三种状态下尾部喷射对横向振荡柱体尾流的抑制.通过对风洞中的烟线显示和热线测量得到的数据进行分析表明,在一定的喷射速度范围内,尾部喷射能够对横向振荡柱体的尾流进行很好的抑制.     

横向振荡柱体尾流P+S模式及其演化研究

目的:研究旋涡脱落模式及其抑制方案对各种工程建设的意义。方法:通过改变横向振荡柱体的振幅和振频找到尾流的P+S旋涡脱落模式(在一个振荡周期内,柱体一侧脱落一对旋涡,另一侧脱落一个单涡),并将两个宽度为b/D=0.32的窄条控制件对称地放置于柱体尾流中,观察其对柱体旋涡脱落的改变情况。采用RNG k-ε湍流模型进行数值模拟,并用流动显示和热线测量进行验证。结果:在振幅比A/D=1.5,无量纲振荡频率f_eD/V_∞=0.2,雷诺数Re=1 200条件下,找到了P+S模式旋涡脱落,并发现窄条可将旋涡改变为2P或其他模式。结论:当窄条位于一定区域内时,可抑制漩涡脱落。     

窄条控制件对旋转振荡板尾流的控制

两个小窄条对称地放于两侧,对宽厚比B/H=3的旋转振荡平板的尾流旋涡脱落进行抑制.板在平行于来流位置附近绕对称轴作旋转振荡,振幅为10°.窄条长边与板的旋转轴平行,窄条表面与来流方向垂直,窄条宽度与板的厚度之比b/H=1/3.控制参数为窄条位置.尾流流动显示图片和尾流脉动速度谱结果表明,当窄条位于有效区域内时,板两侧的涡脱落得到有效抑制.有效区尺度随着无量纲频率的增大而增大,随着雷诺数的增大而减小.     

大振幅横向振荡柱体尾流的控制

引用小窄条控制件对不同旋涡脱落模式进行尾流控制.在振幅比A/D=1.0,无量纲振荡频率feD/V∞=0.413,雷诺数为1 200条件下找到了2P旋涡脱落模式并对其进行控制;在振幅比为0.4,无量纲振荡频率0.21条件下找到了2S旋涡脱落模式并对其进行控制;在振幅比为1.5,无量纲振荡频率0.189条件下找到了P+S旋涡脱落模式并对其进行控制.烟线流动显示实验和热线测速.实验结果表明,单窄条对2S模式旋涡脱落的抑制作用不明显,对2P模式旋涡脱落抑制作用显著,双窄条对P+S模式旋涡脱落的抑制在一定位置下有显著控制效果.     

旋转振荡板的尾流旋涡脱落模式研究

目的:寻找不同振频和振幅条件下旋转振荡板尾流所有旋涡脱落模式,画出各模式的区域分布图,总结旋涡脱落规律。方法:通过风洞实验与数值模拟确定雷诺数Re=2 300时,尾流旋涡脱落模式为2S,2P,P+S的典型工况,验证实验结果与仿真结果是否具有一致性。板的旋转振幅变化范围为:5°～50°,无量纲振频f_eH/V_∞的变化范围为0.01～0.129,通过改变数值模拟的参数找出所有旋涡脱落模式。结果:确定了四种旋涡脱落模式的典型工况,每种模式下实验与仿真结果对比良好,在研究范围内共发现了十一种旋涡脱落模式。结论:旋转振荡板尾流的旋涡脱落模式随着振幅、振频的增加不断改变,最终全部成为2S模式。其中振频对旋涡脱落模式变化的影响较大,总体趋势是从复杂的涡结构逐渐转变成单一结构。     

小控制杆对矩形柱尾流旋涡脱落的抑制

采用小控制杆方法对主柱宽厚比B/H为2.0和3.0的两种矩形柱尾流的旋涡脱落进行了抑制实验.实验在风洞中进行,雷诺数(Re)范围为1.5×103至5.5×103,控制杆与矩形柱长度相同,两者相互平行放置.对三种不同宽度的控制杆进行了实验,小杆宽厚比分别为b/H=0.2,0.32和0.4.流动显示和热线测量结果表明:在柱体附近存在一个有效区,控制杆位于此区内时,柱体两侧的旋涡脱落被抑制.另外还存在一个单侧有效区,当控制杆位于该区内时,柱体一侧的旋涡脱落被抑制,而另一侧未被抑制,形成"单侧旋涡脱落现象".文中还研究了小杆宽厚比、矩形柱宽厚比和雷诺数对有效区和单侧有效区的影响,发现b/H增大时,有效区和单侧有效区不是扩大,而是有所缩小;当B/H增大时,有效区和单侧有效区扩大,而且有效区由一个变为两个;Re增大时,有效区和单侧有效区略有缩小.     

速度剪切流中圆柱体绕流特性的数值模拟

采用由速度梯度、圆柱半径以及圆柱中心平面上的来流平均速度定义的无量纲剪切参数β来描述速度剪切的强度。在雷诺数Re=60-1000范围内,运用三维直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)两种方法对速度剪切流中的圆柱体的绕流特性进行了数值模拟。研究了驻点、高速和低速两侧分离点、圆柱表面压力分布以及不稳定尾流结构随剪切参数的变化及其对雷诺数的依赖性,从而得到了剪切流中圆柱体的气动力以及脱落特性,并对其机理进行了详细探讨。     

串列双圆柱静止绕流的二维数值仿真分析

利用CFX软件建立二维流场模型,采用有限体积法针对串列双圆柱的静止绕流现象进行了数值模拟计算。首先计算了雷诺数Re=200,不同间距时上下游圆柱的斯托罗哈数,并与参考文献的计算结果进行了对比,证明了该文计算的可靠性。然后分析了不同间距时上下游圆柱的升力系数和阻力系数的变化特点,得出了Re=200时双圆柱绕流的临界间距在3.375D~3.5D之间。最后通过对不同间距下流场变化的研究得出:上下游圆柱的间距小于临界间距时,上游圆柱不存在旋涡脱落;超过临界间距时,上游圆柱出现旋涡脱落;下游圆柱始终存在旋涡脱落现象。研究成果能够为计算流体力学和空气动力学技术的发展提供理论基础。     

C型环对细长圆柱减阻抑振效果的试验研究

长细比较大的圆柱结构易发生涡激振动从而引发结构安全问题,而阻力小的气动抑振措施是解决该问题的 理想手段之一。为此,开展了一种C型减阻抑振环风洞试验,研究了不同直径和圆心角的C型环对不同雷诺数下的 圆柱气动力的影响,并通过圆柱表面的风压分布揭示了C型环的减阻抑振机理。研究结果表明,通过减弱背风面的 负压C型环可以有效减小亚临界雷诺数区圆柱的阻力,而且通过对尾流的干扰可有效抑制旋涡脱落。     

矩形柱二维尾流的稳定性研究

采用实验和数值模拟两种方法对长宽比为3∶1的矩形柱尾流进行了稳定性研究.实验发现当雷诺数接近临界值时,未加扰动的矩形柱尾流呈二维定常状态.当在柱体上游一定位置和下游靠近柱体的位置上沿垂直于来流方向施加一个宽度很小的短时脉冲射流扰动以后,扰动随时间放大,并出现旋涡脱落现象,并且这种扰动激发的旋涡脱落可以持续很长时间,不会衰减.而在下游较远处施加同样的扰动时,扰动将会衰减,不能激发出持续的旋涡脱落.数值模拟再现了上述实验结果,并且表明,当扰动强度(脉冲射流出口速度)较小时,不会出现持续的规则旋涡脱落,只有当扰动强度达到一定阈值时,旋涡脱落才能被激发.     

波浪锥型圆柱流固耦合振动机理研究EI北大核心CSCD

为增强及控制无叶片风力俘能结构能量采集效率,该研究将表面结构斜率参数引入波浪型圆柱,发展了一种新型波浪锥型圆柱,试验研究在雷诺数Re=3900下不同波长比、波幅比、斜率参数的波浪锥型圆柱涡激振动响应特性。研究发现:在不同折合流速下,斜率k=0.05的锥型圆柱和波长比λ/D _(m)=1.75、波幅比α/D _(m)=0.10、斜率k=0.05的波浪锥型圆柱最大振幅较直圆柱分别增长26.4%和12.6%,且锁频区间得以拓展;当折合流速在锁频区间内时,在波浪锥型圆柱绕流尾流中观察到了“2S”、“2P”漩涡脱落模式,并且“2P”漩涡脱落模式在往下游发展的过程中有转变为“2C”模式的趋势。该研究可为无叶片风力俘能结构涡致振动的增大和发电效率的提升提供理论支持。     

圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究

采用粒子图像测速技术对630、800及950三种雷诺数条件下的圆柱绕流场进行了实验,给出了圆柱下游沿流动方向4倍圆柱直径和垂直方向3倍圆柱直径区域内的速度场、涡量场以及涡脱落现象的时空演化规律.结果表明:圆柱尾流区域位于垂直方向约1.5~2.5倍圆柱直径范围内,随着雷诺数增大,这一范围呈现缩小趋势,而主流对涡的拉伸和输运能力有所增强;涡脱落频率随雷诺数增大而增大,小雷诺数时能够较为完整地捕捉到涡生成、脱落、发展和耗散过程,由于PIV采集频率的限制,大雷诺数条件下涡脱落整个过程不易被完整捕捉到.     

Shear flow past a square cylinder near a wall

A numerical study on the wake behind a square cylinder placed parallel to a wall has been made. The cylinder is considered to be within the boundary layer of the wall, so that the outside flow is taken to be due to uniform shear. Flow has been investigated in the laminar Reynolds number (based on the cylinder height) range. The interaction of wall boundary layer on the vortex shedding at Reynolds number up to 1400.0 has been investigated for cylinder to wall gap height 0.5 and 0.25 times the cylinder height. The gap flow between the cylinder and wall during a period of vortex shedding has been obtained. The governing unsteady Navier–Stokes equations are discretised through the finite volume method on staggered grid system. An algorithm SIMPLE has been used to compute the discretised equations iteratively. Our results show that at the gap height 0.5 times the cylinder height the vortex shedding occurs at a Strouhal number greater than for an isolated cylinder. Vortex shedding suppression occurs and wake becomes steady up to a certain value of Reynolds number at gap height 0.25 time the cylinder height. At higher Reynolds number the formation of a single row of negative vortices behind the cylinder when it is in close proximity to wall is noteworthy. Due to the shear, the drag experienced by the cylinder is found to decrease with the reduction of gap height.     

Vortex shedding suppression for laminar flow past a square cylinder near a plane wall: a two-dimensional analysis

Summary A numerical study on the uniform shear flow past a long cylinder of square cross-section placed parallel to a plane wall has been made. The cylinder is considered to be within the boundary layer of the wall. The maximum gap between the plane wall to the cylinder is taken to be 0.25 times the cylinder height. We investigated the flow when the regular vortex shedding from the cylinder is suppressed. The governing unsteady Navier-Stokes equations are discretized through the finite volume method on staggered grid system. A pressure correction based iterative algorithm, SIMPLER, has been used to compute the discretised equations iteratively. We found that the critical value of the gap height for which vortex shedding is suppressed depends on the Reynolds number, which is based on the height of the cylinder and the incident stream at the surface of the cylinder. At high Reynolds number (Re ≥ 500) however, a single row of negative vortices occurs for wall to cylinder gap height L ≥ 0.2. The shear layer that emerges from the bottom face of the cylinder reattaches to the cylinder itself at this gap hight.     

Numerical Study on the Suppression of the Oscillating Wake of a Square Cylinder by a Traveling Wave Wall

Traveling waves generated on the side surfaces of a square cylinder are employed to suppress the oscillating wake for improving the flow behavior around a square cylinder; this method is termed the traveling wave wall (TWW) method. This study aimed to evaluate the influence of the key parameters of TWW on the control of aerodynamic forces and the oscillating wake of the flow around a square cylinder. Unsteady numerical analyses at a low Reynolds number (Re) of 100 were performed using a two-dimensional CFD simulation. First, the grid independence and time step independence tests of the simulation were conducted to verify the rationality of the solving parameter settings, and the validation of flow around the fixed square cylinder at Re =100 was carried out. Subsequently, the lift and drag coefficients and the vortex shedding modes under different combinations of three TWW control parameters, including wave velocity, wave amplitude, and wavenumber, were analyzed in detail. The results show that TWW can remarkably reduce the mean value of drag coefficient and the RMS value of the lift coefficient by more than 12% compared to the method involving a standard square cylinder. Two peaks occur in the lift coefficient spectrum, with the low frequency corresponding to the vortex shedding frequency in the wake of the flow around the square cylinder and the high frequency corresponding to the traveling wave frequency. The vorticity contours show that the alternating vortices in the wake of the square cylinder are not completely suppressed under the selected control parameters.     

倒角切角对方柱气动性能影响的大涡模拟研究

倒角和切角措施对方柱的气动力及流场影响很大,常作为方柱流动控制的手段,采用大涡模拟方法,以雷诺数22000的方柱为研究对象,考虑了角部措施(角部变化率10%)的影响,对均匀流场下标准方柱、倒角和切角方柱周围流场及气动性能进行了模拟研究。通过将标准方柱大涡模拟结果与相关文献的试验和数值模拟结果对比,验证了该方法及参数取值的有效性;研究分析了倒角和切角措施对方柱风压分布和气动力的影响,并着重从时均流场和瞬态流场角度分析了角部处理措施对方柱气动性能的影响机理。结果表明,倒角和切角措施对方柱表面风压分布和气动力均有一定影响,其中对方柱表面流动分离区的风压系数影响更为显著。采用角部处理措施后,方柱前缘角区的流动分离受到影响,分离剪切层扩散角更小,侧面的分离涡更贴近壁面,从而在方柱侧面形成再附,尾流变窄,旋涡脱落频率成分更为复杂,使得方柱的平均阻力系数更小,气动力脉动强度更弱,旋涡脱落频率更高、强度更弱。