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.     

不同间距比下串列平板绕流尾迹的LDA试验研究

本文以串列平板为研究对象,运用激光多普勒测速技术(LDA),研究了亚临界雷诺数Re_D=3×10~4下,间距比T/D在1～6之间的上下游平板近尾迹区时均速度、脉动速度分布及其频谱特性,探讨了间距比变化对串列平板绕流尾迹的影响。试验结果表明:小间距比下(T/D3),上游平板尾迹受下游平板抑制作用显著,无明显涡脱产生;随着间距比增大,这种抑制作用逐渐减弱,上游平板尾缘处出现明显涡脱。上游平板近尾缘区(x_1/D≤0.5),间距比对其尾迹影响较小;远离尾缘区(x_1/D 0.5、x_2/D 0.5),间距比对上游平板尾迹影响更为显著。间距比T/D≥3时,上下游平板均能形成稳定涡脱,且随着间距比增大两平板流动状态趋于一致,均趋向于单平板绕流。T/D=3可作为该雷诺数下,串列双平板绕流的临界间距比,此处St数有极小值。     

用格子Boltzmann方法模拟方柱绕流

基于格子Boltzmann方法的原理和对边界条件处理的便捷性,分别对单方柱和并列双方柱绕流进行了研究.对于单方柱绕流,分别研究了不同雷诺数和阻塞比对它的影响,给出了不同雷诺数下单方柱绕流的流线图和涡量图,以及平均阻力系数和最大升力系数随雷诺数的变化曲线,得到单方柱产生卡门涡街的临界雷诺数,也给出了不同阻塞比下单方柱绕流...     

刚性薄平板绕流特性的数值模拟

为了揭示雷诺数、来流剪切参数对平板尾流涡街演化过程以及平板阻力特性的影响规律,本文基于浸没边界-格子Boltzmann方法建立了刚性薄平板绕流模型,并在雷诺数为100～1 200内,对不同雷诺数与来流剪切参数下的刚性薄平板绕流问题进行数值模拟。分别研究了平板尾流区沿流向的2次失稳跃迁过程以及平板流向载荷随来流剪切参数的变化及其对雷诺数的依赖性,并对其机理进行了讨论。研究表明：随着流场剪切参数的增加,平板近尾流经过数次准周期分岔过程进入了由大尺度涡结构所主导的混沌状态,进一步诱发了低频、混沌的结构阻力;雷诺数越大,向混沌特征流向载荷转变所需的临界剪切参数越小。     

串列双圆柱绕流的模态特征及流场重构

为探讨不同间距下,串列双圆柱绕流场特征的内在变化规律,在低雷诺数Re=100下,针对间距比为P/D=1.1~5的串列双圆柱,通过动力学模态分解（dynamic mode decomposition,DMD）方法对其绕流场进行模态分解,并基于DMD的主导模态建立降阶模型,重构了串列双圆柱的涡量场。结果表明:串列双圆柱的3种流态,即单一钝体（P/D=1.1~2）、剪切层再附（P/D=3）和双涡脱流态（P/D=4~5）,呈现明显不同的子模态特征;随着间距比的增大,与圆柱涡脱频率对应的模态结构会逐渐由下游圆柱尾流转移至上游圆柱尾流,此主模态表征了3种流态随间距比演变的内在机制;与单一钝体及剪切层再附流态相比,双涡脱流态的下游圆柱近尾流区的高阶模态结构更为复杂,流场重构时需要更多模态才能达到与其他两种流态相似的精度,在尾流旋涡影响区的重构误差最大。     

高雷诺数圆柱绕流分离的旋转控制

为了深入研究高雷诺数旋转圆柱绕流的流场特性,采用大涡模拟(LES)方法对雷诺数Re分别为3 900、1.4×105、1.0×V106的圆柱绕流在不同转速条件下的三维流场进行了数值仿真。首先以典型非旋转圆柱绕流为算例与相关研究结果进行了对比,验证了本文计算方法与结果的准确性,然后对旋转速度α分别为1、2、3、4时的圆柱绕流进行了模拟。结果表明,不同雷诺数条件下旋转效应都可以有效抑制旋涡脱落和尾部湍流的产生,且分离涡随着转速和雷诺数的增大而变小。同时,雷诺数越小,圆柱的升阻比越大,而超临界区升阻力系数的变化趋势不明显且其值较小;雷诺数越大,受到粘性力的影响越小。     

基于动态亚格子模型的方柱绕流大涡模拟

目的 对高雷诺数下的方柱绕流进行数值模拟,得到方柱下流场时间平均结果以及湍流流场的流场特征,用于验证亚格子模型对大涡模拟(LES)计算精确性的影响.方法 基于有限体积法(FVM)的流体计算开源软件OpenFOAM,采用两种不同动态亚格子模型下的大涡模拟方法,模拟高雷诺数(Re =2.2 ×104)下的方柱绕流.结果 通过数值计算得到流场完整的平均和脉动结构,并得到阻力系数、升力系数、斯托拉哈数等重要的气动力参数,经对比与试验实际情况吻合.结论 高雷诺数复杂流场下亚格子应力的封闭形式对大涡模拟的计算结果有重要的影响,采用动态模拟技术一方程模型计算结果优于常规的Smagorinsky模型,在高雷诺数复杂流场下的计算是高效的,为结构抗风的数值研究提供了参考.     

低雷诺数下旋转圆柱升力系数数值计算分析

平行直线流绕圆柱有环量流动,会产生升力,其大小通常利用库塔-儒科夫斯基升力公式计算.数值计算发现,雷诺数大100时,会产生卡门涡街现象,圆柱体表面出现压力脉动;雷诺数小于1时,计算时会产生回流.文中给出了雷诺数等于10时的升力系数计算结果并与理论值进行了对比,在一定范围内与理论值有可比性.     

串列双圆球的流场转捩研究

本文对虚拟边界法加以改善并推广到三维多连通区域的数值模拟上去,研究了不同雷诺数下串列双圆球的流场转捩现象.结果显示小间距比串列双圆球绕流场的第一分叉点位于雷诺数150～175,第二分叉点位于雷诺数225～250.大间距比绕流场的第一分叉点位于雷诺数170～200.转捩点的位置与单圆球绕流相比有不同程度的提前.给出了切面内流态沿流向的发展变化,捕捉到极限环现象,发现下游尾流场的涡结构分别脱落自下游圆球的上表面和下表面,两个来源处的涡脱频率为倍频的关系,随着雷诺数的增加存在频率竞争和占优频率交替的现象.     

Re=3 900圆柱绕流的三维大涡模拟

为研究亚临界雷诺数范围内圆柱绕流流场特性及三维大涡模拟方法的适用性,基于C++语言及有限体积法开发了三维非结构化网格的大涡模拟计算程序.采用新的高稳定性高精度二阶离散格式,及Smagorinsky亚格子模型对Re=3 900均匀来流条件下的圆柱绕流问题进行数值模拟,并统计获得了平均流场参数及湍流流场的详细结构特性.结果表明:采用本文的网格、计算步长和高稳定性二阶离散精度大涡模拟方法计算所得的湍流场一阶统计特性和二阶统计特性与实验值吻合很好.验证了大涡模拟程序在模拟亚临界雷诺数下圆柱绕流流场平均值及脉动值的合理性.     

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。     

圆形液体浸没射流冲击驻点传热的数值模拟

对圆形液体浸没层流射流的流场结构和冲击驻点的单相传热进行了数值模拟．考虑的因素为喷嘴直径、喷嘴至冲击板距离、射流速度和加热面尺寸等．计算结果表明：冲击板上涡的位置随Ｒｅ的增加而远离对称轴．对于充分发展的管形喷嘴而言,驻点换热随射流出口Ｒｅ的增加和喷嘴直径的减小而增强;在５＜Ｚ／ｄ＜９内出现峰值,与加热面尺寸无关．     

明渠湍流横向涡旋的尺度与环量特征

为了分析明渠湍流中横向涡旋的尺度与动力学特征,利用自主研发的高频粒子图像测速系统测量了6种水流条件下的明渠恒定均匀流时间序列流场,使用涡旋提取方法识别涡旋,提出一套简洁客观的涡旋尺度及环量确定方法,分析了明渠湍流横向涡半径与环量的特征。涡旋的无量纲尺度与强度仅与所在位置有关,与雷诺数等其它因素均无关系。从壁面附近至对数区的上边界,涡旋的平均半径增大。受水面影响,半水深以上的涡旋半径有逐渐减小的趋势。在粘性作用下,涡旋的平均环量由壁面至水面总体呈减小趋势。时均剪切对逆向涡旋的尺度与强度均有抑制作用,其平均尺度与环量在全水深均小于正向涡。     

涡流发生器对不同弦长风力机翼型气动性能的影响

加装涡流发生器有助于大型风力机叶片根部厚翼型表面边界层气流分离的控制。以DU97-W2-300三维翼型为研究对象, 采用转捩模型对安装相同尺寸的涡流发生器, 弦长分别为0.6、1和1.5 m的翼型进行数值计算, 分析涡流发生器控制流动分离的机制。结果表明:转捩模型计算结果与试验结果吻合良好; 对于3种不同弦长的翼型, 在攻角0°~14°范围内, 计算得到的升力系数基本相同; 当攻角大于14°后, 随翼型弦长增大, 升力系数减小, 翼型尾缘分离区域逐步增大。     

流道内分隔板长度对方柱绕流特性的影响

为了揭示流道内方柱-分隔板钝体的绕流特性及分隔板长度对尾迹脱涡的影响,对低雷诺数(Re=150)下阻塞比为1/6的流道内的方柱-分隔板结构进行数值研 究,讨论方柱和分隔板的受力及自由剪切层的变化趋势.结果表明：在有限流道内,分隔板对方柱的尾流结构产生了明显的影响,抑制了尾流区剪切层之间的相互作 用,并在一定范围内使方柱阻力减小;随着分隔板长度L的变化(0D～6D,D为方柱边长),流动特性呈现出3个不同阶段,即当0≤L/D≤1.00时,随着板长度的增加,自 由剪切层沿顺流方向逐渐下移;当1.25≤L/D≤4.50时,自由剪切层在板尾端卷起并在分隔板尾迹边缘清晰地出现二次涡;当L/D≥4.75时,分隔板完全阻断剪切层 之间的相互作用,使自由剪切层再次附着在分隔板上.     

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.     

Numerical simulation of flow interference between four cylinders in in-line square arrangement

In the present paper,two-and three-dimensional numerical simulations of the flow interference between four cylinders in an in-line square arrangement at Re = 200 are performed.Assisted with the two-dimensional(2-D) numerical simulation,the mean and fluctuating forces,Strouhal number(St) and vortex shedding pattern in the wake for each cylinder were analyzed with the spacing ratio(L /D) ranging from 1.5 to 6.0.It was found that,four different vortex modes(viz.,flip-flopping,shielding anti-phase-synchronized,in-phasesynchronized and anti-phase-synchronized) gradually appear with the increase of the L/D ratio.The average drag coefficient of the upstream cylinders is larger than that of the downstream cylinders,while the downstream cylinders usually undergo serious fluctuating forces.When the L/D ratio ranges from 3.0 to 4.0,the dominant frequency of the drag coefficient is equal to the value of St of upstream cylinders.This indicates that a simultaneous resonance in the in-flow and cross-flow directions may occur for some single structures of a multi-body oscillating system.For the 3-D numerical simulation,the L/D and aspect ratios are kept constant as 5.0 and 10,respectively.It was found that some vortices are formed in the wake of the upstream cylinders.Besides,with the same spacing ratio,the calculated drag coefficient and lift coefficient fluctuation are slightly larger than the 2-D results,but with a phase difference.