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.     

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。     

弯管偏流导向浓淡燃烧器分离特性的数值模拟

针对电站锅炉低负荷时炉内稳燃效果不佳的情况,采用浓淡燃烧方式将煤粉气流分离以改善着火特性。采用RNG(重新标准化)k-ε模型和随机轨道模型模拟弯管偏流导向浓淡燃烧器内煤粉流动特性,以"浓度比"和"速度差"作为评价燃烧器分离特性的指标,考虑了分隔板长度、偏流挡块高度以及风速对煤粉分离效果的影响。计算结果表明:在燃烧器内加装距离弯头为D的分隔板、高度为D/4的偏流挡块并保证风速在23 m/s时,对提高燃烧器的稳燃性能达到最佳。将模拟结果与试验数据进行对比,结果基本一致,可为电厂浓淡燃烧器的改造提供技术支持。     

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.     

错列双圆柱的脉动升力特性及其流场机理

受到上游圆柱尾流作用,下游圆柱在小风向角下易发生尾流激振现象,脉动升力与尾流激振联系紧密,但以往针对脉动升力特性的研究较少,其流场作用机理尚未澄清.针对间距比为P/D=1.5~4的错列双圆柱,采用大涡模拟方法,在高亚临界雷诺数下(Re=1.4×10⁵),重点研究小风向角下（β=0°~30°）圆柱的脉动升力和流场结构之间的内在关系,基于流场特征讨论了上、下游圆柱之间的干扰机理.研究结果表明:在小风向角范围内,上、下游圆柱的脉动升力和流场特性变化剧烈,双圆柱会经历尾流干扰、剪切层干扰、邻近干扰、旋涡撞击及涡的相互作用五种干扰流态;在尾流干扰以及剪切层干扰流态下,下游圆柱的脉动升力远小于单圆柱;在邻近干扰流态下,上、下游圆柱相互间干扰较弱,下游圆柱的脉动升力接近于单圆柱;而在旋涡撞击流态和涡的相互作用流态下,下游圆柱的脉动升力则大于单圆柱,上游圆柱的尾流旋涡对下游圆柱的撞击或者与下游圆柱旋涡的相互作用会导致下游圆柱的脉动升力急剧增加.     

植被群河道水流特性试验研究

为研究河道中植被群的存在以及床面糙率对植被群上下游的水流特性产生的影响,分别设计了动床与定床情况下的试验,试验中采用木质圆柱模拟植株组成疏密不同的非淹没圆形植被群。通过研究含植被群水流的流速和紊动动能的分布,来分析植被群上游水流调整长度和尾流的形成与发展过程。试验研究表明,当植被群的直径不变时,试验表明植被群上游的水流调整长度与植被群的密度无关,在该试验条件下,床面糙率对其影响可以忽略;提出体积分数φ作为综合表征植被群密度与植被群直径的参数,比较床面糙率与体积分数φ对完整尾流长度的贡献,发现植被群后形成的完整尾流长度L的大小主要与体积分数φ值有关,且φ值越大L值就越小;植被群后的流速分布主要受床面糙率和体积分数φ值影响,而稳定尾流长度L1的形成主要与φ值有关,并且研究表明在φ=6%附近,L1/D出现最大值;植被群后的尾流结构中一般会出现两个紊动动能的波峰,其位置主要受植被群的密度以及床面糙率影响。由于植被群密度的不同,尾流结构中水体的能量的交换和横向剪切层的发展也不相同,这是影响植被群后的流速恢复至正常流速的位置和稳定尾流形成的主要因素。本文成果可为进一步分析不同的床面糙率下水流与植被的相互作用的研究提供参考。     

完全湍流剪切层对圆柱涡激振动特性的影响

为研究完全湍流剪切层(2×10~4~4×10~4Re1×10~5~2×10~5)下雷诺数对涡激振动动态响应的影响,在OpenFOAM平台下采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型,采用二阶范德波尔方程描述二维圆柱体涡激振动,对完全湍流剪切层下的圆柱绕流涡激振动进行数值计算,分析涡激振动的振幅、频率特性,并在Williamson-Roshko(W-R)图谱中分析旋涡尾迹脱落模式.结果表明:在相同折减速度下提升雷诺数时,圆柱振幅会显著增大,最大振动振幅值高于自由剪切层过渡旋涡区结果及修正Griffin图谱结果.雷诺数对提高圆柱的涡激振动振幅和同步区的范围具有决定性作用,在完全湍流剪切层中,当提升阻尼参数(α≥0.38)时,涡激振动的上部分支消失,振动频率出现"阶跃".     

矩形柱体气动性能的流场机理研究

矩形截面结构在土木工程中有广泛的应用,其气动性能的流场机理有待进一步澄清.采用k-ω SST湍流模型,对宽厚比B/D=1～4的矩形柱绕流进行了数值模拟研究,得到了矩形柱气动性能随宽厚比的变化情况,给出了不同宽厚比矩形柱的流场结构,探究了流场结构、表面风压和气动力之间的内在关系.研究表明:宽厚比B/D=1和2矩形柱的分离剪切层不会发生再附现象,但在B/D=2矩形柱的近尾流中会形成独特的二次涡,二次涡的出现会延缓旋涡脱落速度,造成Strouhal数降低;B/D=3和4矩形柱的分离剪切层会发生再附,在侧面形成分离泡,并导致尾流宽度变窄和平均阻力系数下降,在矩形柱侧面后角附近会出现负压逐渐减弱的压力恢复区.     

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。     

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.     

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。     

下游圆柱涡致振动的升阻力特性及涡脱落模态分析

采用分块耦合方法结合任意拉格朗日欧拉法数值求解非定常二维不可压缩NS方程和Poisson
方程，分析了下游圆柱涡致振动的涡脱落模态以及升阻力特性。圆柱振荡频率比值为0.30～1.49。分析了
各种模态之间相互转化的跃迁点、升力与振幅间相位和模态间转化的关系，以及初始涡量形成的差异与模
态间转化的关系，研究了当涡脱落向下游移动时的演化和重组现象。研究发现，涡的横向和流向间距以及
涡街的大小随频率比的变化而变化；存在3种典型的涡脱落模态，即2P、2S 和 P+S模态，各种模态之间相
互竞争从而促进了流体与结构间相互作用的发展。     

涡轮叶片前缘冲击气膜复合冷却的数值研究

采用数值研究的方法,对一典型航空发动机旋转状态下涡轮叶片前缘冲击气膜复合冷却的流动与换热特性进行了研究分析.计算模型将孔出流结构简化为缝出流结构,并由进气块、前缘块和尾缘块组成.通过对不同旋转速度的计算结果分析可以看出:对所研究的冷却结构,其流场与换热分布要受到哥氏力、离心力和浮升力的影响.在所研究的范围内,雷诺数较低时前尾缘冲击面的平均Nu数分布出现波动现象;在雷诺数较高时,前尾缘冲击面的平均Nu数分布随转速的增大单调减小.     

水平轴风力机叶片非定常气动特性分析

针对水平轴风力机叶片的非定常气动特性,采用状态空间描述的、改进的BL动态失速模型进行风力机翼型非定常气动力分析.模型采用不可压缩假设并忽略了前缘流动分离所产生的非定常效应,考虑气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应以揭示翼型在任意运动中的非定常气动力.模型用4个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中2个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另2个用于描述后缘分离效应,得到了风力机翼型非定常气动升力、阻力和力矩状态变量表达式及计算流程.通过对NACA0012风力机翼型的非定常气动力分析表明,模型能较好地描述风力机翼型的动态特性.     

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.     

低湍流度时尾流湍流切应力和湍流动能的相关

简述了在性能优良、湍流度极低（０．０２％）的西北工业大学低湍流度风洞中用热线风速仪测量翼型近场尾流及边界层速度型、湍流强度、雷诺正应力及切应力等的简况，并着重讨论了极低湍流度下近场尾流中湍流切应力和湍流动能间的相关特性，表明相关值明显不同于常规湍流度的结果。     

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.