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。     

浅水圆湍射流流场特性数值模拟

该文使用计算流体动力学CFD方法,基于不可压缩的Navier-Stokes方程,对圆管湍流射流在浅水密度均匀流体中的流场演化进行了数值模拟。在圆管湍流射流过程,运用Realizable k-ε的雷诺时均RANS模型;射流停止后,采用大涡模拟方法模拟大尺度漩涡在背景流体中的演化。为了考虑自由面的影响,计算域设置了空气层,并采用流体体积函数VOF方法对自由表面进行追踪。在不同的水深约束参数和雷诺数的组合下,对偶极子涡的速度场与涡量场的变化特性、垂向运动特征、涡量-流函数的变化特性以及动能和动量的演化规律等方面进行了分析,结果表明:不同水平面上偶极子涡的速度矢量场之间在涡的前端表现出较大差别,涡的前端存在垂向环流现象,流场具有明显的三维运动特征。不同水平面上垂向速度梯度的峰值和该平面上垂向涡量的峰值差不多大,垂向速度梯度不能忽略,再次证实了偶极子涡垂向运动现象的存在。偶极子涡主流动的涡量和流函数之间存在非线性关系,其散点图由中心对称的两个形似"镰刀"状的分支组成,并且随着时间的推移,"镰刀"状的区域逐渐变窄。偶极子涡主流动所在平面上的动能和动量在不同工况下均逐渐衰减,但动量的衰减速率会因自由表面及底部边界条件的影响而发生明显波动。     

两种近壁湍流模式对横向紊动射流尾流场的影响

采用RNGk-ε模型，并分别结合标准壁面函数法和两层模型的壁面函数法对横向紊动射流流场结构进行了数值模拟。得到了射流与主气流速度比R等于2和4时对称面内速度的沿程分布，以及对称面内的速度场和压力场。结果表明：射流出口背风侧流动出现了分离，存在尾迹区，R值增加，尾迹区范围也相应增加；标准壁面函数法无法模拟出分离区内较大的压力梯度变化，所计算的流场分离区较大；两种壁面函数法预测的沿程速度分布和实验的数据大体一致，但是在最大速度点的下方，两层模型的壁面函数法与实验结果接近，从而说明两层模型的壁面函数法更适于求解横向紊动射流问题。     

均匀流绕旋转圆柱分离流动的数值模拟

本文利用离散涡模型与边界层理论相结合的方法，研究了高雷诺数下，均匀流绕旋转圆柱的分离流动以及有关动力学特性，并验证了Magnus效应，数值模拟过程中，边界层方程用Keller盒式法求解，离散涡采用涡量均匀分布的圆形涡团模型并以涡核半径随时间增长来模拟涡旋的粘性扩散效应。在计算绕旋转圆柱的流动中，无须人为地引进非对称扰动，到一定时候就能自动形成交替脱落的涡街，旋转圆柱周向速度与来流速度比值α的变化范围为0.05-0.3。计算所得升阻系数、分离点的位置以及压力分布与理论和实验结果相符。     

振荡流边界层中颗粒受力的三维格子玻耳兹曼模拟

应用格子玻耳兹曼方法对振荡流边界层中单个颗粒在近壁面处的受力进行了三维模拟,计算结果与已有数值模拟结果(雷诺数为300)和实验结果(雷诺数为2000)进行了比较,吻合均较好。计算结果表明,当雷诺数为300时,在振荡流做正反向运动时力系数的幅值变化过程相同,横向涡量的空间分布具有对称性。雷诺数为2000时,紊动增强使力系数在不同流动方向时的变化有所差异,而且横向涡量的分布呈现非对称性,这时颗粒受到横向力作用。     

浅水层流射流大尺度涡流场特征数值研究

在密度均匀的浅水流体中,由于流体的上下边界作用,会抑制动量源流动的垂向传播发展,形成类似分层流体中偶极子涡的准二维大尺度涡结构。该文通过数值模拟手段,以圆形喷管射流模拟动量源,对层流动量源在浅水条件下生成准二维大尺度涡结构的流场特性进行了研究。数值研究中,为考虑浅水流体上边界自由面的影响,设置了空气层;流体的下边界层设置为固壁条件;同时还考虑了不同的雷诺数影响。研究结果针对流场中射流主流轴向速度分布、过射流轴线的水平断面和自由表面速度场和涡量场进行了分析。结果表明,由于上下边界的存在,主流轴向速度分布关于中心轴非对称,而仅在水平断面上保持轴对称,这与无界射流的情况相差较大。同时,过射流轴线的水平断面和自由表面流场具有较高的相关性,这表明大尺度涡的流动显示出很强的二维流动特性。进一步对上述两个平面的涡量场进行分析,发现流场的平均涡量与时间幂次成正比关系,而且三个不同雷诺数下平均涡量的增长和衰减规律是基本不变的。     

二维T-S波在壁面局部喷吸边界层流中的演化

采用壁面设置局部法向速度模拟喷吸条件,数值计算获得稳定的三维边界层基本流的数值解。在此基础上,研究不稳定的二维扰动T-S波在空间演化过程的非线性问题;探讨边界层壁面局部无量纲喷吸速度0.004,0.000 6对二维T-S波非线性演化的影响及其对增长率的贡献。数值计算结果表明,边界层平均流剖面的改变促进了扰动波的快速增长,增强了流体运动的不稳定性,扩大了中性曲线的不稳定区域范围,不稳定的二维T-S波获得了更大的增长率;不稳定的二维扰动T-S波在非线性演化过程中,由于非线性相互作用不断增强,逐渐诱导激发出三维扰动速度及高次谐波,其三维扰动基本波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率相同;正、负相间流向涡及强剪切层已初步形成。     

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.     

混流式水轮机内部流动的计算

应用弱可压流理论、大涡模拟方法计算水轮机内部三维非定常湍流和有旋流的数学模型，并用三维欧拉方程程序直接计算速度、压力、涡量等原参数的时间渐进值，在多种工况下对混流式水轮机内部流动进行了模拟．     

湍流边界层流向-展向平面中发卡涡的涡迹特征

研究湍流边界层精细流动结构特征,有助于建立流动结构特征与壁面摩阻、流噪声之间的关联,从而为湍流边界层减阻降噪机理的深层次研究奠定基础。该文应用PIV(粒子图像测速)技术,对平板湍流边界层中发卡涡在流向-展向平面的涡迹特征进行研究。利用PIV瞬时速度场,捕捉到明显的低速条带,通过统计分析获得对数层范围低速条带间距随壁面法向距离的变化以及雷诺数的影响规律。同时,通过涡识别准则,提取在流向-展向平面内长低速条带两侧的反向漩涡带,揭示了发卡涡包与长低速条带的内在关系。此外,还研究了流向-展向平面发卡涡涡腿间距随壁面法向距离的变化规律以及雷诺数的影响。     

近壁圆柱绕流的壁面积沙现象机理分析

针对近壁圆柱绕流过程中出现的在平板壁面积沙现象用数值模拟方法进行了机理分析。应用标准k-ε湍流模型和流函数-涡量法分析了不同间隙比（圆柱与壁面间的距离对圆柱直径之比）下的尾流特性，得到圆柱表面升阻力和平板壁面压强脉动。结合流动显示的染色粒子图方法，进行了详细的分析并提出近壁圆柱绕流过程中在圆柱下游平板壁面形成沙粒线的可能机理。     

不同射流温度对多孔热水浮力射流的影响

为探讨不同射流温度对多孔热辐射流的影响,采用有限元数值模拟方法得出了射流温度分别为35、40、45 ℃时不同位置处的流场和温度场,指出:射流从孔口射出后速度衰减很快,随着距离的增大,速度的衰减逐渐变慢,直至衰减到与环境水流流速相同;射流温度越高,紊动作用越强烈,紊动扩散也越强,达到相同温度时所需的距离越近,射流的影响区域越大.     

同轴套管间涡旋流动及强化传热数值模拟

相对旋转两同轴套管间的涡旋流动,能够带来二次流强化传热传质作用,在航空、水处理、生态保护、生物工程和膜分离等领域都具有广泛的应用价值。本文使用Fluent软件,对同轴套管间涡旋流动及传热特性进行数值模拟,考察了内管转速、内外管壁面温差等操作参数变化对同轴套管间流体传热性能的影响,分析了涡旋流动与传热效率之间的关联关系。模拟结果表明:内管转速增加在流场中形成泰勒涡,涡流扰动增大了高温壁面与流体间的热流密度,增强了流体传热效率。增大内外管壁面温差,也可加强流体传热性能,但其强化作用不及内管转速的强化作用显著。受流场中泰勒涡影响,流体速度、温度及热流密度沿轴向的分布都呈正弦状周期性波动,在相邻两涡交界面处,流体传热性能最好,在涡中心处的传热性能最差。     

单向流作用下近壁面圆柱的流向振动

在单向流水槽中对近壁面圆柱体的流向振动进行了实验模拟。分析了圆柱流向振动位移时程曲线,探讨了圆柱振动频率随水流速度的变化特征。研究了圆柱振动幅值和频率的变化特性,结合圆柱尾迹涡的变化规律,分析了流向振动的起因。实验结果表明:随着流速的增加,圆柱流向振动经历了发生、发展和消失的变化过程,振动频率呈现出缓慢增长的趋势;在流向振动触发初期和后期衰退时,流向振动频率存在多值现象,频谱中呈现多个谱峰;圆柱流向振动所对应的约减速度范围明显小于横向涡激振动所对应的范围。     

倾斜水射流冲击移动平板的流动分析

该文采用雷诺应力湍流模型(RSM)和Simplec算法对倾斜冲击淹没射流下移动平板表面的流动特性进行数值分析,得到了不同入口雷诺数、入射角度和不同平板移动速度下平板表面流场的流函数分布和平板近壁面湍动能分布。研究结果表明,斜射流下冲击点下坡侧产生了旋涡区,此旋涡随板速的提高而被压缩,其中心逐渐向射流中心区靠近。此外,相同条件下滞止点处的近壁湍动能最大,湍动能峰值位置随平板的移动而同向移动,并随入射角的降低而远离射流的几何中心。     

有限元-有限差分法对振荡流加任意方向均匀来流中圆柱绕流的数值模拟分析

本文用有限元—有限差分混合法解不可压缩非定常N—S方程来直接模拟振荡流加任意方向均匀来流流场中圆柱绕流情况。该方法的基本思想为:在同一时间步的不同计算步中,用三阶迎风格式离散动量方程中的对流项,压力修正方程用有限元离散,离散后的方程用直接法解。本文计算了Re=800,K_c=4时,均匀来流与振荡流幅值之比等于0.8,其夹角分别为30°、45°和60°三种绕流情况。首次用该方法系统地计算分析了振荡流中在考虑较多因素时圆柱绕流的涡脱泻现象。重点探讨了有夹角均匀来流情况下振荡流场中圆柱近迹复杂的涡结构及其非定常演化过程。     

绕流流场无穷远处流函数边值条件的数值研究

利用流函数－涡量方程求解二维不可压缩低雷诺数绕圆柱流动，在与其它学者计算结果一致的情况下，本文数值研究了无穷远处流函数边值对圆柱定常绕流、圆柱起动流动以及非定常周期性卡门涡街形成的影响。本文计算了各种条件下绕圆柱的阻力系数、流函数涡量分布以及扰动流函数等。计算结果显示，对于定常绕流及圆柱起动流动，几种无穷无流函数边值条件求得的结果基本一致。对于非定常周期性圆柱绕流，不同的无穷远流函数边值条件对计算     

圆柱桥墩的绕流数值模拟

以西藏林芝八一大桥为模型,采用大涡模拟,得到了流场的压力云图、瞬时速度流线图、涡量图。结果表明:流体开始流过桥墩时,圆柱壁面压力最大点及最低点分别出现在前驻点与圆柱壁面上下两侧;流体充分流动,中间的圆柱压力最大点发生了变化;流体绕中间圆柱的流动特性同时受到上游圆柱与下游圆柱的作用;漩涡脱落圆柱向下游运动,受流体流动的影响与自身的剪切运动,涡能量不断减少,最后消失;运用大涡模拟能够很好的预测圆柱绕流问题,可以为高原实际工程的应用提供参考。     

横流中单圆孔紊动射流计算与特性分析

给出了横流中单圆孔紊动射流的数学模型，采用k-ε紊流模式来封闭模型，运用壁函数处理近壁面的流动.对不同流速比的流动，结合混合有限分析法及交错网格进行了计算，其结果与试验资料吻合较好，进而给出了该类流动的特性，有趣地发现在这类流动中存在着分叉现象和马蹄涡结构     

基于壁面模化大涡模拟的SUBOFF壁面脉动压力数值研究

该文基于开源计算流体力学平台OpenFOAM,采用壁面模化大涡模拟中的非平衡壁面模型,对雷诺数Re_L=1.2×10⁷(L为艇长)下的SUBOFF艇体绕流问题开展了数值研究。通过Liutex涡识别方法,该文给出了艇体近壁流动的涡结构分布,提取了艇体表面的时均压力系数,与实验数据进行了对比,并在此基础上重点研究了壁面模化大涡模拟对壁面脉动压力的预测,给出了不同区域的壁面脉动压力频率谱、平行中体处流向和周向波数-频率谱。研究结果表明：壁面模化大涡模拟能够准确预测艇体表面时均压力分布;脉动压力预测方面,艇体首部转捩区的压力脉动更为剧烈,脉动压力谱级整体高于充分发展湍流区;从脉动压力流向波数-频率谱中可观察到湍流能量集中的迁移脊,很好地反映了湍流的时空关联特性。