圆柱桥墩绕流试验研究

一个世纪以来,圆柱绕流一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟的对象,但是由于圆柱周围三维水流的复杂性,迄今对该流动现象物理本质的理解仍是不完整的,特别是对于圆柱绕流流态与圆柱桥墩周围冲刷的关系问题,尚未形成系统的理论研究.利用超声波流速仪测量圆柱周围各测点的流速,得出圆柱桥墩绕流纵向、横向和垂向的三维时均流速分布,并对圆柱下游流态结构进行了初步的理论分析,为圆柱绕流流场和桥墩冲刷机理及防护研究提供了参考.     

高雷诺数圆柱绕流的数值模拟

本文试图通过不同精度的差分格式在较高Re数下的计算结果的对照比较,以期了解在高Re数下不同格式的优劣,达到合理选择计算格式,使其达到既计算精确,又相对节省时间的目的。     

圆柱绕流非对称涡发放的数值模拟

本文用有限差分法计算粘性流体绕圆柱的流动。通过有限解析的思想求解涡量方程,并用多重网格的方法计算泊松方程,得到了一个较为合适的格式来模拟中、低雷诺数的流动,计算了Re=40,200两种雷诺数下的流动,讨论了在不同人工干扰激发下圆柱后卡门涡街的形成。     

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。     

三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。     

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。     

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。     

近底水平圆柱振荡绕流的三维数值模拟

在Honji和Sarpkaya等人的实验研究中发现，绕圆柱的振荡流并不是简单的二维流动，而是存在复杂的三维流态。本文用有限元方法求解原始变量的Navier-Stokes方程，模拟了Re数为392、Kc数为2时正弦振荡流绕平面附近圆柱的流动。分析了三维流场结构的特点，并分析了平面边界对尾流结构的影响。     

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。     

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。     

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.     

输电线路绕流数值模拟

来流风绕过输电线路后,将对其产生升力和阻力。笔者采用经典的基于特征线分裂的CBS有限元法进行数值求解,并借助Matlab语言编程仿真模拟了该过程。得到了雷诺数为100时输电线路的升力和阻力系数,以及漩涡脱落过程,为进一步研究自激振动等更加复杂的非定常流动问题奠定了基础。     

单墩绕流的三维数值模拟

应用流体动力学软件fluent中雷诺应力方程模型和VOF方法,模拟了单墩绕流现象。结果表明:桥墩的阻水作用使墩前的水面在上游不远处开始逐渐升高,至墩前达到最高值,形成墩前的向下水流;墩后靠近桥墩水面处有逆向水流产生;水面线会受到桥墩的影响,桥梁的修建减小了断面过流面积,再加上桥墩本身的阻力,使水流流线在桥梁的上游收缩、下游扩散,形成桥墩前方的壅水现象。     

防撞浮箱对桥墩绕流影响的数值研究

在桥墩自由液面处加装防撞浮箱是目前常用的桥墩防撞方法。为了揭示防撞浮箱对桥墩绕流的影响,该文选取圆形桥墩,通过求解不可压缩流动RANS方程,采用雷诺应力(RSM)湍流模型,数值模拟了加装防撞浮箱的桥墩绕流。首先通过与圆柱绕流模型试验的对比,验证了数值仿真方法的合理性和结果的精确度;然后再进行不同水深下,加装不同截面形状和不同截面尺寸防撞浮箱的桥墩绕流数值计算,分析了防撞浮箱和水深对桥墩阻力系数、流场结构以及桥墩局部冲刷的影响。结果表明：加装防撞浮箱将增大整个结构的阻力,改变桥墩后部的涡结构;防撞浮箱截面形状和尺寸的变化都会对桥墩绕流产生影响,进而影响桥墩自身结构和桥区航道的安全通航,此外水深变化也是不可忽略的因素。研究结果可为桥墩防撞浮箱设计提供相关参考。     

绕圆柱非定常周期性涡旋脱落的数值模拟

利用非定常流函数涡量方程数值模拟圆柱突然起动尾流涡旋的形成及周期性脱落过程。对求解的流函数的一阶导数即速度项采用四阶精度的Hermitian公式，而方程的对流项则采用四阶精度的差分格式，并利用ADI方法迭代求解差分方程组。当雷诺数Re不大于40时，圆柱尾流为附体的两个对称涡，为定常解。当Re大于40后流动为非定常及非对称的，圆柱尾流呈现周期性涡旋交替脱落而形成著名的Karman涡街。选择Re=100为例，在初始条件未加任何扰动情况下，成功地模拟了圆柱非定常涡旋形成与脱落的完整过程（无量纲时间算到t=250及以上）。所计算的阻力系数与实验结果及其它数值方法的计算结果一致。约在t=200形成严格的Karman涡街。对涡量方程ADI求解方法的稳定性进行了分析。对流项采用四阶精度差分格式，若应用于定常问题，将极大提高数值求解的精度，若应用于非定常问题的求解，将对求解精度有所改善，其中时间空间两阶混合偏导数的处理是关键，有待进一步的数值实验。     

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。     

高雷诺数下并列双圆柱绕流的DES法三维数值模拟

该文采用基于S-A的DES方法对雷诺数为104且不同间距比下并列双圆柱的湍流模型进行了三维数值模拟,取间距比T/D为1.1、1.5、2.0、3.0和4.0(T为两圆柱中心之间的距离,D为圆柱直径)。数值模拟研究了流场形态,升阻力系数及升力频谱,发现了不同间距比下的各种紊流形态及流体动力情况,它们与实验结果一致且显示了明显的三维特性,同时这也验证了DES方法在高雷诺数柱群数值模拟方面的准确性。     

串列三圆球绕流数值模拟

为了研究不同间距对串列放置的三圆球尾涡和湍动能的影响，本文选取在L=2．0D～4．0D（三为相邻球心之间的距离，D为圆球直径）范围内的5个不同间距进行了数值模拟，计算均在圆球Rep≈1000的条件下进行。结果表明：当L≤2．5D时，由于逆压梯度的影响，在第二个圆球滞止点附近捕捉到附体分离泡；由于第二个与第三个圆球的置入，展向压力梯度诱发第一个圆球背风面流动的展向输运，且随着圆球间距的增加流场的展向输运趋势减小，但涡的强度增大；第二个圆球与第三个圆球背风面流动没有明显的展向输运；湍动能的增量与圆球间距近似成平方规律。     

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。