单自由度串列双圆柱协同作用下的流致振动试验研究

为揭示不同间距比(L/D)下串列双圆柱协同作用下的振动特性,采用自循环水槽对等直径协同运动的单自由度串列双圆柱进行了流致振动试验研究。试验所采用的串列双圆柱间距比L/D范围为1~5,雷诺数Re范围1×10~4~4×10~4,串列双圆柱质量比均为1.95。结果表明,L/D=1时,在试验Re范围内串列双圆柱产生较小幅度的振动;L/D=2时,串列双圆柱的振幅比A*在VIV上端分支初始段有陡降现象,其后随Re的增大,振幅持续增大同时频率开始下降,但测试范围内并未出现显著的驰振特征;L/D=3~5时,串列双圆柱随间距比L/D的增加,上游圆柱脱涡对下游圆柱的影响减弱,突显出单圆柱的"自限制"涡激振动特点。     

考虑流固耦合的Spar型浮式风力机涡激运动特性研究

对弹性支撑单圆柱在均匀流作用下的涡激运动特性进行数值模拟,捕捉到"锁定区"、"拍"、"频率变换"等现象。柱体周围流场采用Fluent求解,将4阶Runge-Kutta方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动微分方程,运用动网格技术更新流场,实现圆柱与流场的非线性耦合作用。发现随着折合速度的增大,涡激运动响应可分为锁定前支、锁定区、锁定后支3个阶段,在进入锁定区前(折合速度Ur=3)横向运动响应发生拍现象,当跨过锁定区后(折合速度Ur=10)发生频率变换现象。结果表明,横向涡激运动有较大范围的频率锁定现象,频率解锁前后圆柱涡激运动轨迹由"右8字"形变换为"左8字"形。     

基于熵产理论的三维涡激振动低速水流能俘能分析

以刚性圆柱作为俘能结构，通过强流固耦合数值方法模拟俘能结构在低速水流环境下的三维涡激振动，对共振约化速度(U_r=2～12)范围内进行俘能结构的俘能大小及俘能效率分析。为获得俘能结构三维尾流对俘能大小的影响，采用熵产理论并结合尾流特性以捕捉俘能结构尾涡的能量损失来源及分布，获得不同振动分支下俘能大小与尾流耗散间的关系。结果表明，基于熵产理论的能量损失分析可准确捕捉到俘能结构的能量耗散趋势。黏性熵产主要发生在圆柱表面，湍流熵发生在耗散率较大的尾流区。随着约化速度的增加，上端分支内，当U_r=6时俘能结构的俘能效率最大达到30.5%，俘能结构俘获的水动能增加，圆柱表面的黏性熵损耗和圆柱周围及尾流区湍流熵产损失也增加，俘能结构表面的黏性熵产损失和尾流区湍流熵产损失增大成为俘能效率下降的主要原因。     

边界层吸气对圆柱绕流尾涡脱落结构及圆柱受力的影响

为抑制圆柱绕流时受到的涡激力、保护圆柱结构安全,通过施加边界层吸气控制圆柱在涡激效应下受到的周期力.采用数值模拟方法分析Re =200时吸气口位置和吸气强度对圆柱受力情况及尾涡脱落结构的影响.结果 表明:当吸气口布置在60°、90°和120°位置时,添加吸气条件会显著减小圆柱受到的涡激力;吸气条件的引入对圆柱尾涡的脱落...     

无反向流脉动条件下波纹管内流体传热及阻力特性研究

利用数值模拟与实验相结合的方法,在无反向流脉动条件下,分析脉动参数雷诺数Re、斯特劳哈尔数St及振动分率P对波纹管中流体的传热和阻力特性的影响。入口速度为脉动速度,入口温度设为300 K,出口设为自由出口,壁面采用恒温壁面,温度为350 K。研究表明：波纹管内流体处于层流状态时,随着Re的增大,传热强化幅度不断增大;流体处于湍流状态时,传热强化幅度随Re的增大而降低;随着St的增加,传热强化幅度增大;振动分率P对传热强化幅度的影响不明显;平均摩擦系数随着Re的增大而减小,随着振动分率P的增加而小幅度增大,在一个脉动周期内摩擦系数呈正弦规律变化,且随着St的增大发生明显变化,但平均值几乎不变。     

低雷诺数下不同顶角三棱柱体绕流受力和尾涡脱落机制

为研究三棱柱体绕流特性,采用直接数值模拟方法,对雷诺数为100时顶角为15°~165°的三棱柱的二维绕流问题进行了数值模拟,并与经典的圆柱绕流进行对比分析。结果表明,随着顶角度数的增大,三棱柱体受到的时均阻力不断增大,而升力均方值先增大后减小,在顶角为60°时达到最大值(0.31);随着顶角度数的增大,尾涡强度逐渐增大,泄涡频率先增大后减小,在顶角为60°时,泄涡频率最大;前尾涡脱落产生的中心点与鞍点随新尾涡的产生依次消失,而新的尾涡的中心点与鞍点同时逐渐形成。     

不同纵向涡发生器流动传热的数值模拟

利用三维数值模拟的方法对带有3种异形纵向涡发生器的H型翅片椭圆管换热器的空气侧流动传热特性进行研究。基于H型翅片椭圆管束,讨论了在不同雷诺数下,纵向涡发生器的摆放位置、摆放攻角和形状对空气侧流动传热的影响。研究表明:纵向涡发生器能够将高能量的流体引向流速较低的壁面区域,使冷热流体之间的混合加剧,增强流体的湍流动能,进而达到强化传热的效果;与无纵向涡发生器的管束相比,带纵向涡发生器管束的传热效果有明显的提高;当纵向涡发生器后置时,换热器的传热效果最优;在雷诺数相同,攻角为30°时,流体的传热性能和阻力特性均达到最优;相同攻角摆放时,椭圆角矩形发生器的传热性能和阻力因子均优于其他两种形式的发生器。研究结果为烟气余热回收系统换热器传热性能强化提供理论依据。     

二维串列双圆柱层流对流传热的数值分析

基于流场分析软件,结合UDF编程技术和动态网格技术,分别对二维串列放置的静止和振动的双圆柱在不同间距比时的对流传热特性进行了仿真分析.结果表明:二维串列双圆柱对流传热时,静止和振动条件下的间距比均存在一个临界值3.5,小于该临界值时,传热较弱,大于该临界值时,传热增强且随间距比的变化波动较小.在相同间距比下,振动时圆柱面平均Nu明显增大,对流传热能力显著提高.在不同间距比下,二维串列双圆柱绕流时,速度场和温度梯度场之间的协同程度不同,双圆柱的振动使场协同进一步得到改善,从而提高了双圆柱的对流传热能力.     

纵向涡发生器几何参数对微通道流动传热特性的影响研究

为增强微通道的流动和换热特性,对微通道结合纵向涡发生器进行了数值模拟,分析不同雷诺数下纵向涡发生器的长度、横向间隙对微通道流动与换热性能指标的影响。结果表明:在进口速度为0.5～2 m/s时,雷诺数的增加会引起微通道内的换热性能增强,摩擦因子减小及综合传热性减小;涡发生器长度对换热影响较小,但增加涡发生器长度会引起阻力增加,横向间距对阻力影响较小,但增加横向间距会引起换热性能提高;涡发生器长度为0.30～0.40 mm时综合因子为0.94～1.21,横向间隙为0.1～0.5 mm时综合因子为0.88～1.17;纵向涡发生器长度为0.3 mm和横向间隙为0.5 mm时,有利于综合传热性能的提高。在低雷诺数时微通道结合纵向涡发生器的强化传热和综合传热因子要比高雷诺数时好。     

添加筛网增强减阻流体传热性能的实验研究

本文对添加多种型式金属筛网后不同浓度及配比下减阻流体的传热及湍流特性进行了实验研究,对比分析了不同工况下减阻流体的压损率（PL）及传热增强率（HTE）,从而得到减阻流体传热及湍流特性的变化情况。研究结果表明：管道添加筛网后,在低雷诺数（Re）区,PL明显高于HTE;当雷诺数很低时,添加筛网不能改变减阻流体的传热性能,但雷诺数超过3.25×104时,添加筛网后其传热性能明显增强;相同雷诺数下浓度越高,筛网对胶束的破坏程度就越小,当雷诺数达到4.5×104时,其传热性能才开始增强;不同配比和浓度的减阻流体在相应临界雷诺数附近性能最佳。本文可为流体远距离输送、区域供热供冷等工程应用领域的节能降耗技术提供有力参考。     

直管振动流动传热特性数值模拟

通过Fluent软件求解二维雷诺时均Navier-Stokes方程,对整体振动二维直管内流场的传热进行数值模拟,分析了流体流速及振动参数对流场及温度场特性的影响。结果表明:振动会对直管内流场产生扰流;给直管施加振动后,直管换热强度也增加;随着换热管道的加长,换热效果随着振动频率和振幅的增大,会在低频率和低振幅的换热强度基础上下降,最多下降18.3%。     

超疏水管束流动传热数值分析

为了研究超疏水表面的滑移特征对散热器管束的流动减阻及传热强化的影响,针对层流状态下滑移边界条件对二维圆柱表面的流动及传热特性影响进行了数值分析。基于ANSYS FLUENT18.0软件,利用有限元方法计算了雷诺数Re=120时,不同滑移长度下横掠二维圆柱的流场及温度场。圆柱表面采用了Navier模型来表征超疏水滑移现象。计算结果表明：圆柱表面综合传热性能是随着滑移长度增加而呈线性增加的趋势,而圆柱表面综合摩擦阻力是随着滑移长度增加而呈线性减小的趋势;圆柱表面附近速度边界层厚度是随着滑移长度增加而逐渐变薄,明显变薄的发生区域是在圆柱前驻点附近;圆柱表面局部摩擦性能是随着滑移长度的增加而在前驻点区域减小明显,在后驻点区域变化不明显,这也导致了相似的圆柱表面局部传热性能的变化。上述流动传热特性结果将为高效-紧凑型散热器的研究提供参考。     

Spar型浮式风力机涡激运动特性及其抑制研究

为减轻涡激运动对系泊结构的疲劳破坏,提出一种波纹柱体结构,探讨其涡激运动特性及抑制机理。结构与流体的非线性耦合作用通过用户自定义函数（UDF）和动网格技术实现,运动微分方程采用四阶龙格-库塔法求解。研究发现,波纹柱体与裸圆柱结构的涡激运动特性明显不同。裸圆柱随折合速度的增加呈明显的锁定特性,而波纹柱体结构的涡激响应特性与波纹高度Hw/D相关。当波纹高度Hw/D=0.01和0.05时亦会发生锁定现象,但锁定区间较裸圆柱小,当波纹高度Hw/D=0.02~0.04时结构不再发生锁定问题。结果表明,波纹结构对柱体的涡激运动有明显抑制作用。     

壁面局部振动的二维管可压缩流动分析

通过求解二维雷诺时均Navier-Stokes方程,对壁面局部振动的二维管内流场进行可压缩流体的数值模拟,分析振动频率、振幅及相位对流场的影响。研究表明:振动频率上升,可使静压变化区域缩小,同时静压变化幅度增加;振幅变化不影响静压变化范围,仅作用于静压变化幅度;振动相位变化,局部振动壁面向管内输入能量,生成交替的高低压圈。研究结果可为进一步模拟燃气轮机叶片振动对气膜冷却的影响提供参考。     

风力发电机组塔筒涡致横振研究

文章应用计算流体力学(CFD)及有限元数值分析方法分析了FD82E型2MW抗台风机组的塔筒横向振动问题。根据雷诺相似准则,通过CFD方法研究了涡激振动产生的升、阻力系数及其频率同雷诺数的关系。运用有限元方法计算了塔筒的模态,分析了塔筒在涡激振动下的谐响应,并校核了激振力导致共振时塔筒结构的安全性。对机组吊装的风速条件进行论证分析,为现场吊装提供理论依据。     

脉动流场对波壁管内流体的传热及阻力的影响

为了解决换热器、发动机等设备热质传递效率低的问题,采用数值模拟和实验相结合的方法,入口速度设为具有正弦脉动特点的非定常边界、流体温度设为348 K;出口速度设为自由出口、壁面温度设为298 K、忽略管壁传热热阻;对Re=600时波壁管内流体的传热和阻力特性进行研究,分析了不同时刻管内流体的速度场和温度场,以及努塞尔数Nu和摩擦系数的变化规律,将定常和脉动流场下流体的传热及流动特性进行了对比。结果表明:脉动流场下波壁管内流体的换热效果较定常流场差异明显,在振动分率P=1.5,斯德鲁哈尔数St=2.8时,脉动流场较定常流场的Nu增幅达34%,而在P=0.5,Re=400时,脉动流场较定常流场的Nu增幅达55%;脉动流动下,摩擦系数呈现正弦规律;在瞬时雷诺数Re时,脉动流场下的平均摩擦系数与定常流场相比差别不大,但瞬时摩擦系数差异显著。     

立柱截面形状对半潜式平台涡激运动特征影响试验研究

基于模型试验方法,开展立柱截面形状对半潜式海洋平台涡激运动影响的研究。对立柱截面形状为圆形、方形的半潜式平台分别进行平面内三自由度涡激运动特征测定,得到不同工况下平台横荡、纵荡和艏摇运动的无量纲振幅与约化速度的相关性以及平台各向受力特征。试验结果表明立柱截面形状对半潜式平台的受力频率、响应幅值等涡激运动特征值有较大影响:各个流向下方柱半潜式平台的纵荡运动均观察到"驰振"现象,而圆柱平台纵荡运动是否发生"驰振"现象与来流方向密切相关,并且当"驰振"现象发生时,2个平台纵荡运动频率均稳定于0.38 Hz附近;整个约化速度范围内,方柱平台所受涡激升力与艏摇力矩频率主峰值之比基本保持1∶1关系,圆柱平台在非锁定区和锁定区内涡激升力与艏摇力矩频率比为1∶1,在超锁定区变为1∶1.5;多数工况下圆柱平台的横荡幅值明显大于方柱平台,而方柱平台的艏摇响应幅值远大于圆柱平台,最大幅值可达20.35°。     

迷宫密封转子动特性三维CFD数值的研究

1引言旋转机械转子系统中的非接触密封在阻止流体泄漏的同时,还会产生重要的流体激振力,影响转子振动稳定性。与动压滑动轴承的油膜类似,密封中流体膜(汽膜、水膜或油膜)动力特性中的交叉刚度k是促使转子做非同步低频涡动的激振力来源,直接阻尼C可以生成对这种低频涡动的抑制力     

超临界雷诺数下旋转圆柱绕流的三维大涡

超临界雷诺数状态下,圆柱下游紊流边界层的分离会导致RANS算法在求解过程中遇到一定的困难,而在工程实际中,特别是在海洋能发电塔架、风力机钝尾缘处发生的钝头体绕流均处于超临界雷诺数状态。因此,文章基于Fluent模拟软件使用大涡模拟(LES)方法,对超临界雷诺数为3.5×106时,不同比转速的旋转圆柱进行三维数值模拟,并分析其水动力学特性。文章将模拟结果与相关文献的研究结果进行比较,验证了模拟结果的准确性。研究结果表明,由马格努斯效应产生的升力对旋转圆柱下游卡门涡街的发展具有抑制作用,当比转速大于10时,旋转圆柱下游不再发生有规律的卡门涡街。     

基于分形换热器的聚光太阳能PV/T一体化系统数值研究

建立基于分形换热器的聚光太阳能光伏光热一体化(PV/T)系统三维物理模型和稳态传热数学模型。采用控制容积法对系统模型进行求解,获得层流状态下不同雷诺数、不同聚光条件下系统内冷却流体的速度场分布、电池温度分布以及系统的电、热性能参数。计算结果表明:在一定范围热电联合效率随雷诺数的增大而增大,随聚光强度增强而增加,随入口温度的降低而增大;太阳电池板表面最大温差随雷诺数增大而减小。