基于动态Smagorinsky-MRT-LBM的圆柱绕流湍流研究

采用多松弛格子玻尔兹曼与大涡模拟的动态Smagorinsky亚格子涡粘模型相结合的方法对圆柱绕流湍流进行模拟,研究300至10 000不同雷诺数下的单圆柱绕流湍流涡的周期性变化。研究结果表明:计算所得的斯考特数值和阻力系数值与文献中实验结果以及有限元仿真结果基本一致,说明该方法对于不同雷诺数的湍流模拟是合理的。     

二维格子Boltzmann方法圆柱绕流湍流模拟

采用多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟技术对二维圆柱绕流问题进行了数值模拟.运用二阶插值反弹格式处理圆柱边界,同时结合Wall-Adapting Local Eddy-viscosity模型(WALE)对壁面附近湍流粘性进行修正,测算了其升、阻力系数和涡脱落频率.结果显示:在雷诺数小于300时,升、阻力系数以及涡脱落频率均跟实验值吻合较好;对于较高Re数问题,其三维效应不能忽略,模拟结果跟实验值有所偏差,但通过引入WALE模型进行壁面修正,该方法较其他二维方法在估算阻力系数上精度有明显提高.     

圆柱绕流涡致振动的平面湍流数值模拟

为了研究工程中存在的湍流涡致振动问题,应用平面湍流k-ε模型和重整化群k-ε模型,结合分块耦合方法及任意拉格朗日欧拉法（ALE）数值模拟了圆柱绕流涡致振动,求解基于非交错网格系统, 其中包含满足连续性方程的压力泊松方程解法.计算了湍动能、湍流耗散率、湍流黏性系数及柱面涡量的变化情况.结果表明,当雷诺数为5 000～2×105时计算所得的阻力系数与实验数据吻合良好.研究发现,在涡致振动情况下的湍流耗散率比固定圆柱涡脱落情况下小得多,湍流黏性系数与雷诺数呈对数律增长.     

不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算

应用计算流体力学软件Fluent对不种雷诺数下(亚临界区、超临界区、极超临界区)的圆柱绕流进行仿真计算.采用大涡模型(Large-eddy simulation),不可压缩的Navier-Stokes方程,计算了三维圆柱绕流的气动力特性.系统分析了涡脱落形态,阻力系数,Strouhal数随雷诺数的变化情况.数值计算结果表明流动呈明显的三维特性,在105≤Re≤106时出现阻力危机现象,从亚临界区、超临界区到极超临界区,涡脱落形态由规则到不规则再到规则.     

高雷诺数下并列双圆柱绕流的大涡模拟

为澄清并列双圆柱结构发生偏向流现象的流场机理,采用大涡模拟(LES)方法,在高雷诺数下(Re=1.4×10~5)研究了并列双圆柱的气动性能及其流场特性随圆柱间距比P/D(P为圆心间距,D为圆柱直径)的变化规律,重点探讨了小间距并列双圆柱的偏向流现象及其对圆柱气动性能的作用机理.研究结果表明:大涡模拟方法得到的气动力结果与文献风洞试验值吻合良好;随着并列双圆柱间距的增大,绕流场会呈现单一钝体、偏向流和平行涡街等多种流态结构;当P/D=1.1时,绕流场会间歇性地出现单一钝体和偏向流流态,两种流态的气动性能和流场特性有很大差异,圆柱的气动力会随时间发生剧烈变化,呈现非稳态特征;当P/D=1.2～1.5时,绕流场呈现偏向流流态,两个圆柱的气动力和尾流呈现不对称现象,偏向流的偏转方向会出现间歇性地变化,尾流涡脱强度弱,气动力脉动小;当P/D=2～4时,绕流场总体呈现平行涡街流态,尾流涡脱强度强,气动力脉动大,气动干扰减弱.     

粘性流体圆柱绕流的有限元模拟

对粘性流体圆柱绕流进行了数值模拟。根据三阶Taylor展开弱解的概念,在二阶分裂步Taylor-Galerkin有限元法基础上,采用时间推进和张量分析的方法推导了对流扩散通用微分方程的ETG有限元离散格式。对Reynolds数为32、102和250的粘性流体圆柱红流流场进行了数值仿真,数值模拟结果与实验结果吻合良好。表明隐含流线迎风耗散作用并具有三阶部分展开的Taylor-Galerkin有限元法稳定性好,精度较高,可用于计算包含对流扩散耦合传递动量的绕流问题及类似的流动问题。     

圆柱绕流的流动分离控制

流动分离现象在穿透自由液面的圆柱绕流过程中非常明显,也是造成各种海洋结构物阻力性能恶化的重要原因.针对此问题,开展了应用生涡器装置控制流动分离的试验研究和CFD模拟.通过生涡器可以在流动分离以前向边界层内触发小尺度涡,从而增加边界层底部的动量,抵抗流动分离的发生.圆柱绕流的拖曳试验结果表明,生涡器可有效抑制圆柱后体的流...     

圆柱绕流N—S方程数值解的非线性特性分析

数值模拟并分析了二维圆柱绕注向混沌转捩的情形，通过时间延迟技术和维数嵌入方法对速度时间序列重构相空间，并利用非线性动力系统理论方法（诸如相空间分析、频谱分析、Ｐｏｉｎｃａｒｅ映射），以及通过对混沌统计量（如关联维数，Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ熵、Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数等）的计算，对不同雷诺数的Ｎ－Ｓ方程解的特征作了分辨。结果表明，在一定的雷诺数范围内解是周期或拟周期的，并且有一个复杂的分叉途径向混沌转捩。     

黏性非定常圆柱绕流的升阻力研究

对于单圆柱绕流问题，以前的分块耦合法一般将整个流场区域划分为八个子区域，同时每一子块的内部拟边界与相邻块重叠一层网格，且节点数一致，以便实现数据传递．这种分块方法紧贴圆柱面上也会有拟边界点，所以不利于以后的动网格计算，使用新的分块耦合求解方法来数值模拟单圆柱以及不同间距下的串列双圆柱绕流情况，克服了过去分块方法造成的边界附近的数值奇性问题，并将该方法扩展用于串列双圆柱绕流的数值模拟，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响，为进一步研究涡致振动提供了依据，使用壁面涡量积分法计算升阻力系列化脉动，精确计算出了脉动周期和幅值，计算结果与实验数据符合较好。     

厚壁面湍流边界层对圆柱脱涡影响的实验研究

在风洞中,用热线风速仪和压力传感器进行嵌入湍流边界层内的圆柱脱涡实验研究.测量了尾涡脱落频率和平板表面压强脉动,目的是分析当圆柱嵌入空气湍流边界层的情况下,间隙比值对尾涡脱落频率及壁脉动压强的影响.实验结果得到了尾涡无量纲频率S t随间隙比及雷诺数的变化情况,壁脉动压强周期性成分的变化规律,还得到了在一定雷诺数下,圆柱对边界层速度的影响范围,为今后的工作和研究提供了实验依据.     

Numerical simulation of flow around square cylinder using different low-Reynolds number turbulence models

ABE-KONDOH-NAGANO, ABID, YANG-SHIH and LAUNDER-SHARMA low-Reynolds number turbulence models were applied to simulating unsteady turbulence flow around a square cylinder in different phases flow field and time-averaged unsteady flow field. Meanwhile, drag and lift coefficients of the four different low-Reynolds number turbulence models were analyzed. The simulated results of YANG-SHIH model are close to the large eddy simulation results and experimental results, and they are significantly better than those of ABE-KONDOH-NAGANO, ABID and LAUNDER-SHARMR models. The modification of the generation of turbulence kinetic energy is the key factor to a successful simulation for YANG-SHIH model, while the correction of the turbulence near the wall has minor influence on the simulation results. For ABE-KONDOH-NAGANO, ABID and LAUNDER-SHARMA models satisfactory simulation results cannot be obtained due to lack of the modification of the generation of turbulence kinetic energy. With the joint force of wall function and the turbulence models with the adoption of corrected swirl stream,flow around a square cylinder can be fully simulated with less grids by the near-wall.     

Experimental investigations on separation control and flow structure around a circular cylinder with synthetic jet

Circular cylinder separation control and flow structure influenced by the synthetic jet have been experimentally investigated in a water channel. The synthetic jet issues from a slot and ejects toward upstream from the front stagnation point of the cylinder. It has been found that, similar to the traditional synthetic jet which is positioned near the separation point or inside the separation region, the present synthetic jet arrangement constitutes an efficient way to control flow separation of the circular cylinder, but with a different control mechanism. The present synthetic jet leads to an upstream displacement of the front stagnation point and the formation of a vortex pair near both sides of the exit orifice. When Re _u based on the synthetic jet average exit orifice velocity is about lower than 43, a closed envelope forms in front of the windward side of the cylinder during the blowing cycle of synthetic jet, which acts as an apparent modification for the cylinder configuration. When Re _u is high enough, an open envelope forms upstream of the cylinder, and the flow around the cylinder becomes much energetic. Thus, regardless of Re _u, the present synthetic jet can improve separation for flow around a circular cylinder. With regard to the leeward side, as Re _u increases, the flow separation region behind the cylinder gradually disappears. The flow over cylinder may be fully attached when the open envelope forms upstream of the cylinder and Re _u is greater than 344. Then, the flow past the cylinder will converge near the back stagnation point of the cylinder, where a new vortex pair shedding periodically is generated due to the high shear layer. Recommended by Prof. DONG ZengNan, Member of Editorial Committee of Science in China, Series E: Technological Sciences Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10425207)     

辐流式沉淀池液固两相流力学特性二维数值模拟

采用两相流混合模型和Realizable k-ε湍流模型,对辐流式沉淀池液固两相流力学特性进行二维数值模拟.采用有限体积法离散微分方程;速度与压力耦合求解使用了压力隐式算子分裂(Pressure-Implicit with Splitting of Operators,PISO)算法.通过模拟获得了速度场、紊动能和污泥质量浓度等参量在空间的分布规律,并根据模拟结果分析讨论了挡板距离与挡板长度对流场和污泥沉淀特性的影响.模拟结果在一定程度上反映了沉淀池内部水力参数的变化规律,表明所采用模型是研究辐流式沉淀池液固两相力学特性的一种有效方法.     

内孤立波与直立圆柱体相互作用特性数值模拟

为研究直立圆柱体的内孤立波载荷特性,依据三类内孤立波理论(Kd V、e Kd V和MCC)的适用性条件,使用内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,建立了两层流体中内孤立波对直立圆柱体强非线性作用的数值模拟方法。系列计算结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且直立圆柱体内孤立波水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合。直立圆柱体内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;对水平力,其波浪压差力与粘性压差力量级相当,流体粘性的影响显著;对垂向力,粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。     

绕流中颗粒与柱体碰撞和磨损的直接数值模拟

为了研究圆柱近壁区颗粒与柱体的碰撞和磨损问题，采用高精度有限差分的方法对圆柱绕流进行了直接数值模拟.在获得高精度计算流场信息的基础上，采用Lagrangian方法追踪了颗粒在圆柱近壁区的运动.利用非弹性碰撞模型的壁面磨损量经验公式，进行了壁面磨损量的计算，详尽考察了不同粒径的颗粒与壁面的碰撞磨损情况.研究发现，随着颗粒粒径的增大，颗粒与壁面的碰撞频率变高；局部碰撞频率的曲线较为特殊，粒径较大颗粒的碰撞多发生在与来流方向平行的中心轴线处，而小粒径颗粒的碰撞则要外移一定的位置.还发现颗粒对壁面的磨损率也是随粒径的增大而增大.颗粒的冲击角对壁面的磨损同样起着至关重要的影响，对于塑性材料，冲击角为20°～30°时，壁面的磨损率最大.     

有限长波浪形圆柱绕流数值模拟

为研究一端固定在壁面上,另一端为自由端的有限长波浪形圆柱的减阻抑振效果,对有限长波浪形圆柱进行了计算.首先,采用大涡模拟数值模型的方法,对雷诺数为3 900时的有限长直圆柱和不同波长、波幅组合后的12种有限长波浪形圆柱进行了计算;其次,针对计算结果进行后处理,得到并比较了不同组合形式下的有限长波浪形圆柱的升、阻力系数大...