平板间方柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

为研究平板间方柱绕流上下平板对置于其中的方柱绕流所产生的影响,采用格子Boltzmann方法对二维平板间低雷诺数(Re=100)方柱绕流问题进行了数值模拟研究.分析了3种不同阻塞比下,平板边壁对方柱的升、阻力系数、Strouhal数和尾涡流场的影响.结果表明:平板对方柱绕流特性有明显的影响,随着阻塞比的增加,阻力系数和Strouhal数均增大,与无边壁相比阻力系数可增加达30%,而升力系数却随之减小.计算结果与相关实验数据相吻合,验证了格子Boltzmann方法对钝体绕流非定常问题模拟的有效性。     

应用PIV系统研究横流中水平方柱绕流旋涡特征

利用PIV系统对二维水平方柱绕流的旋涡特性进行了试验研究,得到了来流雷诺数为796-9 556、不同间隙比(G=3.0,1.0,0.2)时方柱绕流瞬时流场分布.根据这些数据,分析了方柱绕流流场中旋涡发展和演化规律,比较了瞬时流场和时均流场中旋涡结构特征,给出了不同工况下分离区长度L及斯特罗哈数St与雷诺数的关系.     

方柱绕流的数值模拟

使用计算流体力学CFD软件,模拟方柱在两种情况下的绕流.在第一种情况下,方柱位于流场的边壁,模拟不同雷诺数下流场的流线、压力分布,绘出方柱后面绕流形成的回流区长度随雷诺数的变化曲线并对其进行分析;在第二种情况下,方柱位于流场的中央,模拟Re=200的流场在不同时间步时的速度矢量图.描述了漩涡的生成、成长和脱落的全过程.两种情况下的计算结果与其他文献中的计算数值和试验数据相吻合.     

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.     

柱体绕流的CIP方法模拟

柱体绕流和流致振动现象是一个复杂的工程问题,利用自主研发的CIP-ZJU模型,对低雷诺数(Re300)圆柱和方柱绕流问题开展了数值模拟。模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线CIP方法作为流场的基本求解器离散了Navier-Stokes方程,基于多相流的理论实现流-固耦合同步求解,利用浸入边界方法处理固体边界。模拟结果与文献结果进行比较,二者吻合情况较好。通过引入压力阻力项和摩擦阻力项,分析了Strouhal数、阻力系数、升力系数等参数随雷诺数的变化情况。结果表明,圆柱绕流与方柱绕流在水动力参数的变化规律上存在多处差异。     

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.     

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.     

方柱绕流对污染物扩散影响的试验

建立透光率-COD浓度-污染物浓度三者之间的关系,通过试验初步研究了方柱绕流对污染物扩散的影响,试验结果表明:1)方柱绕流情况下,污染物纵、横向扩散均受到影响,横向扩散强度减缓,纵向扩散在方柱上游受到阻滞,扩散强度减小,下游受尾迹影响、旋涡的发展,扩散运动加强(方柱中心线处变化最大);2)相同情况下,流量越大,方柱绕流对污染物扩散影响幅度越小;3)污染物扩散受方柱绕流影响变化规律与水流紊动强度受方柱绕流影响变化规律一致.     

单一流迳基岩裂隙水流态的实验研究

根据室内模拟实验 ,研究了单一流迳基岩裂隙水流的雷诺数以及平均流速与水力坡度的关系 ,进一步研究了基岩裂隙水的流态 ,得出了不同条件下单一流迳基岩裂隙水流的雷诺数较大、基岩裂隙水流远远超出层流范围而应为紊流的结论 ,并讨论了判别流态的雷诺数标准 ,为基岩水运动理论的建立提供了新的实验证据 .     

基于气体动理学格式的平板绕流数值模拟

介绍了基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）模型的气体动理学格式Gas Kinetic Scheme（GKS）数值算法。给出了平板绕流的物理模型以及边界的处理方式,同时进行了算法准确性验证。对不同雷诺数条件下的单平板绕流进行数值模拟,随雷诺数的增大,涡不断被拉长,逐渐失去对称性,形成卡门涡街;对Re=300的前后平板绕流,当板间距较小时流场处于对称尾流区,没有涡的脱落,当板间距较大时会形成卡门涡街;对Re=300的上下平板绕流,当板间距较小时流场特征与单平板绕流相似,当板间距较大时会形成两列涡,在下游较远处开始逐渐合并。     

单一流迳基岩裂隙水流态的实验研究

根据室内模拟实验,研究了单一流迳基岩裂隙水流的雷诺数以及平均流速与水力坡度的关系,进一步研究了基岩裂隙水的流态,得出了不同条件下单一流迳基岩裂隙水流的雷诺数较大、基岩裂隙水流远远超出层流范围而应为紊流的结论,并讨论了判别流态的雷诺数标准,为基岩水运动理论的建立提供了新的实验证据.     

基于POD方法的二维方柱低雷诺数绕流流场分析研究

以二维方柱低雷诺数绕流为研究对象,在非定常数值模拟结果的基础上,首先应用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法得到特征区域流场的低阶模型,获取POD基函数及时间系数分布规律;其次以POD的低阶模型为基础,实现了对非定常物理场的重构。研究结果表明:1应用文中的数值分析手段,捕捉到了方柱绕流非定常流动特征,且与公开文献结果吻合较好。2对于文中的研究对象,前4阶POD模态所占波动总能量99.4%,可以用于较准确描述其非定常流场特征;3各阶POD模态的时间系数之间都有明确的频率与相位关系,其中能量最大的第一对POD模态对方柱尾迹流动的波动频率和幅值起决定作用。4在所研究的雷诺数下,前4阶POD模态就可以很好地重构流场,这对以后低阶模型的建立有一定的指导意义。     

低雷诺数中等间距串列双方柱涡激振动的数值模拟

为研究典型间距比串列双方柱的涡激振动特性及其耦合机制,对雷诺数为150、柱心间距比分别为2.0和4.0的串列双方柱涡激振动进行了数值模拟,探讨了方柱振动响应随来流折减速度的变化规律,以及周围流场的流态与其演变过程,重点分析了下游方柱的能量输入机制.两方柱在不同柱心间距比下均以横流向振动为主,柱心间距比为2.0时,均在双涡脱流态内发生“弱锁定”（即方柱在振动锁定区的振动频率锁定值远小于1.0）,其横流向最大振幅皆出现在振动锁定区内且上游方柱振幅较大;在振动锁定区内,上游方柱平均阻力系数的激增导致平均柱心间距急剧减小,扰乱了下游方柱的气动升力对振动的能量输入,导致其尾流中的旋涡极不稳定.柱心间距比为4.0时,仅下游方柱在剪切层再附流态内发生“锁定”,两方柱的横流向最大振幅均出现在振动锁定区外,但上游方柱振幅远小于下游方柱,这是由于两方柱脱落的旋涡相互融合,使得气动升力对下游方柱的能量输入增强,横流向振幅和旋涡的横流向间距随之增大,造成下游方柱的尾流模态为双涡脱流态内的平行涡街模态.此外,下游方柱的横流向振幅在剪切层再附流态内也会出现较明显的极值,其对应的尾流模态均为剪切层再附流态内的平行涡街模态.     

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。     

不同雷诺数下弹性薄板流激振动实验

为了揭示流体-薄壁结构之间相互作用的机理,在4种不同的进口流动雷诺数下,采用3D-PIV流场测试系统和DH-5935N动态信号测试分析系统同步测试,分别得到方柱绕流后弹性薄板周围流场的时空演化特性和受激振动薄板的运动规律.实验结果表明,弹性薄板振动对流动雷诺数极其敏感,当周期性扰动流场与结构形成强烈的非线性耦合作用时,近壁区流动进一步受板扰动的影响,流动的边界条件发生改变,流场结构的对称性遭到破坏,受激振动板最终表现出非周期、非对称的耦合振动行为.     

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。     

二阶ETG有限元方法在低雷诺数流动模拟中的应用

本文提出了二阶全展开Euler-Taylor-Galekin（ETG）有限元方法,并应用于对低雷诺数二维不可压缩粘性流动的模拟。深入考虑粘性不可压缩流Navier-Stokes方程中每个子项的作用,利用二阶Taylor全展开完成时间项向空间项的转化,采用时间推进和张量分析的方法推导了N-S方程的有限元离散格式。对具有典型意义的低雷诺数方腔拖曳流、后台阶流及二维方柱受限绕流进行了模拟,得到与相关文献较为一致的结果。表明本文提出的二阶全展开ETG有限元方法是一种具有较好稳定性和较高精度的算法。     

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。     

非定常不稳定气固两相流动的离散涡数值仿真—Ⅱ．具有剧烈分离的不稳定气流场的数值模拟

应用离散涡方法数值模拟了高雷诺数下的钝体（圆柱、方柱等）绕流,得到了流谱、涡谱等流动信息。从流谱和涡谱中可以明显看到流动分离、旋涡以及旋涡时间的发展演化,即成功模拟出流动所具有的非定常、不稳定等非线性特征。     

直角网格壁函数的二维高雷诺数机翼绕流计算

针对传统直角网格方法无法准确计算高雷诺数下近壁面区域的流场及剪切应力问题，本文基于自主开发的二维直角网格CFD求解器，采用添加壁面函数的方式模拟了高雷诺数下的机翼绕流。数值模型基于直角网格有限差分方法对N-S方程进行离散，整体求解器的精度在空间和时间上分别达到二阶。通过对低雷诺数下圆柱绕流及机翼绕流的模拟计算，验证了此求解器的精度和可靠性。在高雷诺数下利用壁面函数修正近壁面的速度剖面，使近壁面区域的速度分布更符合实际流动。研究结果表明：本文方法能够有效求解二维高雷诺数机翼绕流问题。同时利用商业计算流体力学软件Star-CCM+采用贴体网格对同样问题进行模拟，数值模拟结果表明本文方法的网格需求要大于贴体网格。