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...     

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。     

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.     

平板有升力绕流的Lattice Boltzmann模拟

介绍了一种不同于传统流体力学数值方法的Lattice Boltzmann流体动力学的含体积力模型，并用此方法模拟了平板有升力粘性绕流，得到了与实验结果一致的升力及阻力系数。     

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。     

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。     

利用格子Boltzmann方法预测缩放管内的阻力系数

利用格子Boltzmann方法,分析缩放管结构、雷诺数等对管内流动状态的影响,得到了缩放管内湍流情况下流体阻力系数与滚压深度及节距间的关系式,从而实现了预测缩放管内湍流情况下流体的阻力系数.     

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.     

水下钝体空化绕流数值模拟

基于均质平衡流理论,利用Fluent 6.3对水下钝体空化绕流进行数值模拟,研究钝体空泡形态的变化规律,分析钝体的减阻特性。结果表明:空化数较小时,钝体从水绕流发展成空化绕流,随着空化数减小,空泡的无量纲直径和无量纲长度都增大;压差阻力系数减小,摩擦阻力系数减小并趋于0,总阻力系数比水绕流时降低,基本等于压差阻力系数。     

The numerical investigation of flow and heat transfer characteristics of flow past a slit-cylinder

The flow and heat transfer characteristics, including transition critical Reynolds number from two-dimensional to three-dimensional, the influence of slit-cylinder geometric parameter on Strouhal number, Nusselt number and forces acting on the slit-cylinder are numerically investigated. It’s found that transition critical Reynolds number from two-dimensional (flow wake deforms in two directions) to three-dimensional (flow wake deforms in three directions) increases with the augment of the slit width ratio in the range of present considered Reynolds number. The present results indicate that the three-dimensional vortex structures resulting from the deformation of the vortex shedding have significant effects on flow and heat transfer features such as Strouhal number, Nusselt number and forces acting on the cylinders with different ratios of slit width. It’s observed that the drag and lift coefficients reduce as the increase of slit width ratio, and vortex shedding is effectively suppressed by the slits. Moreover, the comprehensive heat transfer performance of the cylinder with the slits is significantly improved with the increase of the slit width ratio.     

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.     

有限长波浪形圆柱绕流数值模拟

为研究一端固定在壁面上,另一端为自由端的有限长波浪形圆柱的减阻抑振效果,对有限长波浪形圆柱进行了计算.首先,采用大涡模拟数值模型的方法,对雷诺数为3 900时的有限长直圆柱和不同波长、波幅组合后的12种有限长波浪形圆柱进行了计算;其次,针对计算结果进行后处理,得到并比较了不同组合形式下的有限长波浪形圆柱的升、阻力系数大小,结合升、阻力大小分析其减阻抑振效果;最后,对减阻抑振效果较好的组合形式进行流场分析并研究了有限长波浪形圆柱的减阻抑振机理.研究表明:在12种波浪形圆柱组合形式中,大多数组合形式都能减小圆柱受到的升力系数均方根值,起到抑振作用,减阻效果最好的组合形式阻力系数均值减小可达5.36%;有限长直圆柱与有限长波浪形圆柱周围有相似的流动特征,但波浪形圆柱由于马鞍面和节点面的存在,使流体在圆柱展向产生交互,削弱了圆柱后方尾涡的发展,从而起到减阻抑振的作用.所得结果可对有限长波浪形圆柱的减阻抑振效果进行比较全面的总结,对研究有限长波浪形圆柱的减阻抑振机理有一定的帮助.     

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.     

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.     

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。     

高层建筑二维流场的数值模拟

针对建筑物风场的高雷诺数特点,采用离散涡法,分析了高层建筑物的非定常分离流问题.通过引入奇异点技术摆脱了保角变换的处理过程,使离散涡法能适应于复杂形状的钝体结构.数值模拟了流场的变化特征,分析了各种攻角下,具有方形截面的高层建筑的升力系数、抗力系数和Strouhal数.计算分析表明,离散涡法具有计算速度快及精度高的特点,可以刻画出流场的流动特征,透视到流动机理,在结构风工程领域具有较好的应用价值.