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.     

随行波微结构表面圆柱涡激振动的抑振研究

涡激振动易诱发非流线型物体发生结构失稳或疲劳损坏,为抑制涡激振动而提出一种随行波微结构表面的方案。通过非定常流体数值计算方法求解分析雷诺数为10 000时普通表面圆柱和随行波微结构表面圆柱的振动特性。定义随行波微结构表面参数;采用Newmark-β法求解单自由度圆柱振动方程并编写CFD数值计算的UDF,计算采用k-ω/SST湍流模型和SIMPLEC算法,并结合动网格技术模拟圆柱的振动过程。研究结果表明:相比于普通表面的圆柱,随行波微结构表面圆柱具有较为显著的抑振效果,振动幅度减小约为92. 97%。本文研究结果可为柱体或管状结构涡激振动的抑振提供参考。     

稳定流与三翼圆柱的流固耦合研究

在低雷诺数下,应用有限元数值模型计算了带有三扰流翼板圆柱的涡激振动问题,研究涡的释放形式和圆柱的振动幅度．在数值模型中,针对低雷诺数外部流场采用无量纲的N-S方程,三扰流翼板圆柱振动简化为质量-弹簧的断面系统,通过在流固边界上位移与应力的反复迭代,进行三扰流翼板圆柱与外部流场耦合计算,计算结果表明triangle60型的三扰流翼板可以明显地减小圆柱的涡激振动．     

多孔仿生射流表面减阻特性数值模拟

利用RNGk-ε湍流模型对流体在多孔仿生射流表面上的流动特性进行了数值模拟。结果表明:减阻率和流速比呈线性关系,流速比越大减阻效果越好,最大减阻率为59.02%;单孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数先减小后增大,局部减阻率最大为111.8%;射流孔越多,减阻效果越好。探讨了仿生射流表面减阻机理:射流通过改变其表面附近的流场结构,使得边界层黏性底层的厚度增加,垂直于壁面的法向速度梯度减小,达到了显著的减阻效果;同时产生稳定的流向涡结构,并在壁面处形成小的二次涡,抑制了流体间的动量交换,减小了摩擦阻力。     

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。     

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.     

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。     

带挑臂箱梁涡振气动控制试验

为尝试一种有效控制带挑臂箱梁涡振的气动措施,以某叠合箱梁斜拉桥为背景,在同济大学TJ-1边界层风洞进行了1∶50缩尺模型10个工况的对比试验,研究移动检修轨道、增设不同形式的导流板和扰流板等气动措施的抑振效果.结果表明:带挑臂箱梁涡振振幅随着风攻角增大而增大,涡振性能对风攻角比较敏感;导流板可能会增大带挑臂箱梁涡振振幅,导流板的夹角和水平板的宽度是影响抑振效果的关键因素,夹角越大,水平板越宽,抑振效果越好;在设有导流板的情况下,检修轨道对带挑臂箱梁涡振性能没有影响,移动检修轨道没有抑振效果;扰流板对带挑臂箱梁抑振效果明显,在一定范围内扰流板越宽抑振效果越明显,而且扰流板对涡振的控制效果同风攻角有密切关系.     

不同排列双圆柱气液两相绕流数值模拟

在一定的来流速度下,采用有限容积法计算了不同含气率、不同来流速度与双圆柱圆心连线角度情况下,整个流场的变化.夹角选取为α=90°(并列)、60°、45°、30°、0°(串列).结果表明:当α=90°(并列)时,两圆柱后产生稳定的同步反相旋涡脱落.随着夹角的减小,两柱之间产生了强大的排斥力,上游圆柱振动受到抑制,尾涡的长...     

合成射流对串列双圆柱受力特性及流场特性影响的数值模拟

合成射流能够通过改变单个圆柱尾部的旋涡脱落模态有效抑制其涡致振动,但对多圆柱结构的控制效果尚待研究。采用数值模拟研究了对称布置在上游圆柱尾部的水平合成射流对串列双圆柱的受力特性和尾流特性的影响。在研究中,来流的雷诺数恒定为150,合成射流的位置角度为45°,2个圆柱中心之间的间距比为2～10。研究结果表明,水平合成射流能够同时降低上、下游圆柱的升、阻力系数,但过大的合成射流动量系数反而会导致上、下游圆柱的阻力系数均大于无合成射流控制情况下的值。当动量系数为2和4时,上游圆柱的尾迹完全由水平合成射流主导,变得完全对称;但下游圆柱的尾部始终存在交替脱落的旋涡。     

横掠椭圆管的换热和流动特性研究(英文)

对横掠不同长径比的椭圆管的换热和流动特性进行了研究。实验过程中考虑了8种不同类型的椭圆管,流动介质为空气。通过热质比拟和萘升华技术,获得了雷诺数在7000~65000范围内的局部和平均对流换热系数,通过比较不同类型椭圆管的实验结果,阐明了长径比k的影响,首次给出了Nu=f(k,Re,Pr)形式的实验关联式。同时,通过实验还获得了流动阻力系数。最后,使用油-灯黑可视化技术对横掠椭圆管的绕流特点进行了显示。结果表明,局部对流换热系数随长径比k变化,边界层的分离点随k的增大而向后移动。当k<6.0时,椭圆管的平均对流换热系数高于圆管;当k=6.0时,达到最大值,大约为圆管的1.6倍,同时,其阻力系数随着k的增大而减小;当k=2.0时,阻力系数约为圆管的60％。流型印证了实验结果的合理性。     

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。     

方柱流致横向振动的CFD数值模拟

为对弹性支撑方柱的流致横向驰振与涡激振动现象进行研究,利用Fluent软件求解Re=500下的粘性不可压流场,方柱振动模型简化为质量-弹簧-阻尼体系,将Newmark-β方法写入用户自定义函数(UDF)来求解柱体运动方程,方柱和流场之间的非线性耦合作用通过动网格实现.考虑了质量比和折合阻尼对方柱振动的影响,结果得到了低频率比下方柱的驰振现象,方柱的最大驰振位移达到2.5倍边长,观察到方柱由驰振到涡激振动的转化.详细分析不同频率比下柱体的升阻力系数、横向位移特征值和尾流涡结构,获得"拍"和"相位开关"等现象.工程中对自振频率较低的方形结构进行设计时需考虑驰振作用的影响,优先采用不易发生驰振的截面形式.     

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.     

并列双圆柱在均匀流场中的动态特性

针对T/D=3.5的并列双圆柱体在均匀流场中的动态特性进行了实验研究.测出了柱的流向及横向振动响应,以及柱表面分布压力.经分析后,本文给出了柱的流向、横向之振动频率及位移随约化速度变化的关系,同时给出了各种柱表面压力系数沿柱周向的分布曲线;最后对弹性柱的Strouhal数给予了适当的讨论.     

来流湍流度对圆柱绕流特性的影响

采用大涡模拟方法,在雷诺数为1.4?05时,研究来流湍流度对圆柱绕流特性的影响规律。研究表明：湍流度会使得自由剪切层间的相互作用更加剧烈,使得流场的三维特性更为强烈;同时加强了尾流区湍流能量的相互传递,减少能量的耗散,从而延长了回流区长度。随着回流长度的增加,圆柱背风面的平均风压系数得以增大,最终导致圆柱阻力系数随之减小。在尾流湍流得到增强的同时,尾流区会形成多尺度的湍流,从而促使漩涡形成区形成大涡量的漩涡,导致尾流区的漩涡呈现多频率的脱落。     

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.     

细长体出水过程中阻尼系数变化分析

针对细长体出水过程中黏性阻尼系数和兴波阻尼系数的变化,采用弹性体振动理论和流体势流理论相结合的方式对其进行研究．对于黏性阻尼项,建立简化的涡激振动模型,将涡激振动的阻力和升力项考虑到结构振动方程中,获得考虑涡激振动后的阻尼系数增量．对于兴波阻尼项,采用时域格林函数法,首先计算规则球体振动问题,并将计算结果与相关文献对比,发现二者吻合良好．在验证算法的基础上,采用细长体模型,分别计算不同振动频率和不同出水高度对于兴波阻尼系数的影响．计算结果表明：涡激振动引起的黏性阻尼增量随着洋流增大、波浪增高或者空泡长度减短而增加;兴波阻尼和细长体的出水高度、固有振型和振动频率密切相关,所对应的细长体在头部出水、振动频率0．5 Hz左右诱发的兴波阻尼最大．一阶和二阶弹性振动诱发的兴波阻尼系数较小,工程中可忽略．