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.     

用SST-DES和SST-URANS方法数值模拟亚临界雷诺数下三维圆柱绕流问题

基于剪切应力运输(shear stress transport,SST)的分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)在近壁面的流动区域采用SST模型,而在其他区域采用亚格子模型求解流场。本研究中分别应用SST-DES和SST-URANS方法对亚临界雷诺数Re=3900下的三维圆柱绕流进行了数值模拟,比较分析了两种数值方法下圆柱表面的时均压力分布、圆柱后方的漩涡脱落特征、圆柱下游流场的时均速度剖面分布等,并将数值模拟结果同前人物理试验比较,结果表明SST-DES方法在亚临界雷诺数下的三维圆柱绕流数值模拟问题上比SST-RANS方法具有更好的效果。     

高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟

本文使用表面涡法研究高雷诺数下不同排列方式双圆柱绕流的流动状态，计算了双圆柱在并列、串列及级列的情况下的各种流动结构，涡街的变化及作用在圆柱上的受力情况。本文结果清楚地描述了双圆柱绕流复杂的流动状况，计算结果与实验显示的流动状况十分相似，斯特罗哈数和阻力系数与实验结果符合得很好。     

前后缘改形翼型的流动控制机理研究

针对前后缘及上下表面正弦波浪型改形翼型对前缘流动分离及失速的影响,采用大涡模拟湍流模型对改形翼型在雷诺数1.6×105下不同攻角的流动控制机理进行了数值研究.研究表明,相对于NACA0012直翼型,改形翼型由于其前后缘及上下表面沿展向呈正弦波浪型变化的结构特性,使其在失速区得到了更平缓的升力曲线.在小攻角(α≤ 12°)工况,改形翼型的升力系数稍小,然而在大攻角(α≥15°)工况,其升力系数明显提高,最高可达20％.前后缘改形的扰流使得改形翼型前缘流动分离在最大截面处延迟了,分离线移至大约0.25c的位置,这样的三维流动结构有效的减少了升力在失速区的突降.     

槽道中方形障碍物绕流的大涡模拟

本文应用二阶全展开ETG有限元离散格式与大涡模拟相结合的方法对固定在槽道一侧的方形障碍物的绕流进行了数值模拟，计算了雷诺数为40000的湍流情况下的绕流流场，将模拟结果与实验结果及他人的数值结果进行了对比，符合较好，表明大涡模拟与所论的具有较高精度的数值算法相结合，适合于具有大尺度涡的绕流运动流场的分析。     

双圆柱绕流的大涡模拟

基于FLUENT软件平台上的三维大涡模拟方法,对定常来流流场中的单圆柱及不同排列形式的双圆柱进行了水动力计算,并对圆柱周围的瞬时流场、时均流场以及圆柱受力进行了分析.分析结果表明,当Re=6×104时,串列双圆柱中上游圆柱受力明显大于下游圆柱,下游圆柱Gd、Cl的变化频率满足fd=2fl,两圆柱的脱涡频率近似相等,涡街的相位相同;并列双圆柱的Cd基本相等,且变化趋势有一定相似性,脱涡频率均接近单个圆柱,涡街的相位相反;交错45.排列的两个圆柱Cd基本相等,脱涡频率接近,下游圆柱的涡街相位明显滞后于上游圆柱.     

圆柱尾迹流场中横向振荡翼型绕流的数值模拟

该文数值模拟了静止圆柱尾迹中横向振荡翼型绕流的涡结构、力及频谱特性,揭示前方尾迹流场对振荡翼绕流特性的影响,以了解鱼类游动时自主利用前方流场有利干扰的流体力学机理。研究表明圆柱尾迹的影响可导致翼型前缘涡脱落模态发生变化;翼型尾迹的频谱特性更加复杂;在一定的参数下翼型阻力系数可以整体下降。     

绕方柱流脉动压力场的大涡模拟

采用有限差分法，对雷诺数为22000的绕方柱流的脉动压力场进行了三维大涡模拟。采用时间分解算子法，将N－S方程分为对流分步、扩散分步和传播分步，再分别进行计算，在大涡模拟中，用两层模型处理Smagorinsky模型在近壁区模拟结果的发散问题。计算的压力场以及阻力系数、升力系数和Strouhal数均与试验结果较为吻合。     

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。     

低雷诺数条件下并列三圆柱绕流的尾流模式和水动力系数研究

该文应用浸入边界法对雷诺数Re(28)100和间距比T/D(28)1.1-5.0条件下的等间距并列三圆柱绕流进行了数值模拟。研究发现,尾流模式与无量纲圆柱间距比T/D密切相关,在所研究的间距比范围内共出现六种尾流模式,分别为:单体尾流模式(T/D(28)1.1-1.2)、偏斜尾流模式(T/D(28)1.3)、第一类Flip-Flopping(FF1)尾流模式(T/D(28)1.4-1.5)、第二类Flip-Flopping(FF2)尾流模式(T/D(28)1.7-2.3)、同步尾流模式(T/D(28)2.5-3.2)和调制尾流模式(T/D(28)3.3-5.0)。通过分析近尾流的涡量图、升阻力系数时程曲线和不同圆柱所受升力的相位差,详细研究了各个尾流模式的特点和联系。     

亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的数值模拟及减阻研究

采用大涡模拟数值方法对亚临界雷诺数Re=3000下波浪型圆柱的绕流现象进行研究分析。研究结果表明,波浪型圆柱的三维尾迹涡结构能得到很好的控制,它在轴向方向呈现周期性正负涡的交替分布特性。随着幅值的增大,波浪型圆柱表面的自由剪切层得以延展,使得旋涡的脱落发生在波浪型圆柱下游较远处,从而达到减阻的目的。波浪型圆柱与普通直圆柱相比,其幅值对平均阻力系数及脉动升力系数的减少及尾迹控制有着更重要的影响,最大减阻可达16%。     

Three-dimensional large eddy simulation and vorticity analysis of unsteady cavi- taring flow around a twisted hydrofoil

Large Eddy Simulation (LES) was coupled with a mass transfer cavitation model to predict unsteady 3-D turbulent cavitating flows around a twisted hydrofoil. The wall-adapting local eddy-viscosity (WALE) model was used to give the Sub-Grid Scale (SGS) stress term. The predicted 3-D cavitation evolutions, including the cavity growth, break-off and collapse downstream, and the shedding cycle as well as its frequency agree fairly well with experimental results. The mechanism for the interactions between the cavitation and the vortices was discussed based on the analysis of the vorticity transport equation related to the vortex stretching, volumetric expansion/contraction and baroclinic torque terms along the hydrofoil mid-plane. The vortical flow analysis demonstrates that cavitation promotes the vortex production and the flow unsteadiness. In non-cavitation conditions, the streamline smoothly passes along the upper wall of the hydrofoil with no boundary layer separation and the boundary layer is thin and attached to the foil except at the trailing edge. With decreasing cavitation number, the present case has σ= 1.07, and the attached sheet cavitation becomes highly unsteady, with periodic growth and break-off to form the cavitation cloud. The expansion due to cavitation induces boundary layer separation and significantly increases the vorticity magnitude at the cavity interface. A detailed analysis using the vorticity transport equation shows that the cavitation accelerates the vortex stretching and dilatation and increases the baroclinic torque as the major source of vorticity generation. Examination of the flow field shows that the vortex dilatation and baroclinic torque terms increase in the cavitating case to the same magnitude as the vortex stretching term, while for the non-cavitating case these two terms are zero.     

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。     

不同长细比圆柱绕流的大涡模拟

自从人们对层流圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流问题,但高雷诺数下的圆柱绕流具有很强的三维特性,因此在数值计算时模型轴向长度的选取是大家关心的问题。该文基于开源软件OpenFOAM运用LES计算了4种不同长细比圆柱的静止圆柱绕流(包括一个二维算例),重点分析和对比了结果中的一些基础参数如St数、平均阻力系数等,与实验结果吻合良好。文中还进一步分析了时均顺流向速度U在流场中沿流向和横向的分布,发现长细比为π的圆柱算例中,计算域的轴向尺度已经能满足圆柱下游靠近圆柱处的流场中的三维结构的发展。     

FLUENT软件在圆柱绕流模拟中的应用

使用计算流体力学软件FLUENT，模拟均匀来流绕固定圆柱的流动，模拟雷诺数为20，40，100时的绕流流动，得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明：当雷诺数增加时，流动表现出一系列不同的构造。在雷诺数约为40前后流场有明显变化。小于这个数时，存在一对位置固定的旋涡。大于40时，流场开始变得不稳定，旋涡扩大、脱落、又生成，逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡。并与实验及数值模拟结果比较，确认FLUENT能够很好地预测流动结构。