过渡流下异管径三圆柱绕流的可视化实验

为研究过渡流下不同雷诺数Re,不同横向中心距Ps的异管径三圆柱绕流的流动特性,采用二维粒子图像测速系统(PIV)对过渡流下异管径三圆柱绕流进行可视化实验研究.结果 表明,Re=120、150和200时,横向中心距的变化对上下游圆柱尾流有着明显影响.横向中心距的变化主要影响上下游圆柱的互相作用,从而引起尾流旋涡形态的变化.在研究的工况中,随着横向中心距的增大,上下游圆柱尾流的旋涡尺度逐渐减小,下游小圆柱前的时均速度越来越小,从而降低了有效雷诺数.     

近距离淹没冲击射流动态流场特性

近距离下淹没冲击射流具有重要的应用前景,但有关其动态流场特性的研究尚不充分。利用粒子图像测速技术(Particle image velocimetry,PIV)对冲击距离为H/D=1时的动态流场特性进行测量,研究雷诺数Re和喷嘴端面轮廓(壁面约束)对间隙内旋涡生成的影响,并对试验数据进行涡量分析与本征正交分解方法(Proper orthogonal decomposition,POD)分析。结果表明,雷诺数Re对不同喷嘴端面轮廓(壁面约束)的旋涡生成和迁移影响规律不同。雷诺数对直角型喷嘴的双涡环模式流态影响较小,但对圆角型喷嘴卷吸流态影响较大,且随雷诺数的增大流场出现动态对称涡旋,该对称涡旋逐渐向间隙外迁移且呈现出明显的周期性变化特征。涡量分析得到时均场的涡量大小与分布情况,通过与POD分析中瞬态场的含能大尺度结构分布相结合,揭示间隙外涡旋能量的来源与变化规律。通过前4阶瞬态脉动速度场重构,可以从微观时间尺度进一步说明瞬态速度场的突变性与周期性。研究成果将有助于加深对冲击射流本质的理解。     

中低雷诺数下近壁圆柱绕流对壁面传热的影响

对近壁圆柱绕流强化壁面传热展开研究,基于有限容积法通过FORTRAN编程来求解控制方程,分析了不同雷诺数(100≤Re≤1200)下的近壁圆柱绕流对壁面传热的作用。研究结果表明:(1)雷诺数的变化对壁面传热强化有着重要的影响,壁面的平均努塞尔数(Num)随雷诺数的增大而增大;(2)在雷诺数较低时,Num在近壁圆柱附近处出现一次峰值,随着雷诺数的增大Num在第一次峰值后又出现第二次峰值,且两次峰值的大小都随雷诺数的增大而增大;(3)随着雷诺数增大,Num的第一次峰值基本出现在同一位置,即近壁圆柱处;Num的第二次峰值由于旋涡运动的影响,随雷诺数的增大略向上游移动。     

后向台阶绕流低频脉动特性的强化传热研究

后向台阶绕流是包含丰富流动现象的典型分离再附流动,在工程中应用广泛。这里针对过渡流下后向台阶绕流低频脉动特性对传热的影响展开研究,重点分析了主回流区再附着点下游传热得到强化的原因。结果表明：过渡流下的低频脉动特性诱导流动在壁面附近形成旋涡,这些旋涡的运动破坏了速度边界层的均匀发展,同时加强了冷热流体的混合,从而强化了底面传热,再附着点下游局部区域的传热比层流时提升了3倍以上。随着雷诺数的继续增大,近壁旋涡的形态发生变化,促使流体冲击壁面的角度增大,低速回流范围减小,从而进一步强化了底面传热。     

低雷诺数下等边布置三方柱绕流的数值研究

采用有限体积法对雷诺数Re=100的等边布置三方柱的二维绕流问题进行数值模拟。考虑左"品"字形(布置1)和右"品"字形(布置2)两种柱体几何布置,间距比在1.5~5.0变化,着重分析间距比对流场特性、柱体阻力系数、升力系数及斯特劳哈尔数的影响。研究结果表明,对于布置1,间距比对流场特性与结构具有非常重要影响。当间距比g=1.5时,出现了周期性的双稳态间隙偏流;当g=2.0~3.0时,偏流效应随间距比增加逐渐变弱,下游柱B、C后的尾流流谱不对称;当g=3.5时,间隙流的偏流现象基本消失,柱B、C后的漩涡同步脱落,流场呈现同步对称结构;当g4.0时,柱B、C后的漩涡呈反相位脱落,流场关于来流方向对称。对于布置2,流场特性与结构受间距比影响较小,在所考虑的间距比范围内,未出现偏流现象。相对而言,在较小间距比的情况下,布置2比布置1具有更好的流动稳定性。各柱体的动力特性与流场结构及特性密切相关,各柱体的升、阻力及柱后漩涡的脱落特性与单方柱绕流情形具有很大不同。此外,三方柱绕流的流场特性与柱体动力特性也与三圆柱绕流的情形存在一些差异。     

高雷诺数水流中悬空输油管道安全性数值分析

穿越河流的输油管道在长距离输油管道工程中占相当比例,在水流长期作用下容易裸露悬空。悬空管道在水流作用下可能产生共振或锁频现象,造成管线失效。通过交错网格系统中的SIMPLE算法求解N-S方程,对均匀来流中的静止管道绕流场进行模拟,验证了模型的可靠性;并应用动网格技术对高雷诺数均匀来流中悬空的横向振动管道绕流场进行了数值模拟,得到不同频率比下的升力系数、阻力系数随时间的变化曲线以及涡量等值线分布图。通过分析涡量等值线分布图得到管道在给定雷诺数流体中的"锁频频率"以及高雷诺数下管道临界长度曲线,结论可用于水流作用下管线的安全分析。     

非均匀热流边界条件换热管内流场优化研究

针对太阳能集热器换热管的强化换热问题,对在周向非均匀热流边界条件下基于场协同理论管内的流场分布进行了研究。采用了数值模拟的方法,利用变分法构造拉格朗日函数,求出了附加体积力的动量方程;对纵向涡流和换热管传热系数之间的关系进行了归纳,提出了流场优化强化换热,进而提高太阳能热利用率的方法。研究结果表明:周向非均匀热流边界条件下换热管内纵向涡流可以明显地强化管内的对流换热,但同时流体流动的阻力也随之增大,并且流动阻力的增加幅度要小于对流换热增强的幅度;纵向涡流流速越大,进口流体雷诺数越小,流体具有更为优良的综合强化换热特征。     

基于场协同理论的高温热管散热模拟分析

为了提高碟式太阳能热发电系统的高温热管的散热特性,根据场协同理论,利用变分法构造拉格朗日函数,从而求出附加体积力的动量方程,采用数值模拟的方法研究了纵向涡流强度和进口流体雷诺数对水夹套管内对流换热和阻力特征的影响,提出了流场优化强化换热的方法。研究发现基于场协同理论纵向涡流可以明显强化水夹套管内的对流换热,但同时流体流动阻力也随之增大,并且流动阻力的增加幅度要小于对流换热增强的幅度;纵向涡流强度越大,进口流体雷诺数越大,流体具有更为优良的综合强化换热特征。     

基于 Fluent 的球柱式结构绕流数值模拟

应用计算流体力学软件Fluent ,采用分块网格划分,选择层流模型和不可压缩的N -S方程,对低雷诺数下不同流速的球柱模型黏性绕流场进行仿真计算。结果表明：圆柱杆与来流方向的绝对倾角越大,对圆球绕流场的影响越大,圆球表面的受力越不对称。建立了模型圆球表面所受作用力与来流速度、流向间的关系曲线,说明来流速度越大,圆球表面所受阻力越大;带有较细的圆柱杆的模型使其圆球表面受力发生了微小变化;圆柱杆的摆放位置对圆球表面受力影响不大。圆柱杆在 XZ平面内与X轴正向夹角θ越小,圆球表面受到的阻力就越小,更接近单个圆球绕流场。     

基于Fluent的球柱式结构绕流数值模拟

应用计算流体力学软件Fluent,采用分块网格划分,选择层流模型和不可压缩的N-S方程,对低雷诺数下不同流速的球柱模型黏性绕流场进行仿真计算。结果表明:圆柱杆与来流方向的绝对倾角越大,对圆球绕流场的影响越大,圆球表面的受力越不对称。建立了模型圆球表面所受作用力与来流速度、流向间的关系曲线,说明来流速度越大,圆球表面所受阻力越大;带有较细的圆柱杆的模型使其圆球表面受力发生了微小变化;圆柱杆的摆放位置对圆球表面受力影响不大。圆柱杆在XZ平面内与X轴正向夹角θ越小,圆球表面受到的阻力就越小,更接近单个圆球绕流场。     

高空低雷诺数压气机叶栅气动性能数值研究

本文采用数值仿真方法研究了亚声速叶栅损失特性和流场结构在高空低雷诺数条件下的流动特点,获得了叶型损失系数和流场结构在不同雷诺数情况下的变化规律。结果表明:随着雷诺数降低,平面叶栅总压恢复系数分布以及叶栅尾迹区流动均发生剧烈的变化;随着雷诺数降低,零攻角与负攻角的吸力面尾缘分离区增大,且在20km时吸力面出现明显的分离涡;随着雷诺数的降低,分离涡逐渐后移。     

扇形截面流道Stokes流速度场的解析解

基于圆柱坐标下Stokes流的泊松方程和双调和方程,对任意角度扇形截面流道内的流体速度分布进行解析研究。采用分离变量法得到各角度扇形截面流道的轴向速度及流函数解析表达式,并利用配置点法确定流道横截面内周向及径向速度分布规律。利用数值模拟方法分析不同雷诺数下Stokes方程解析解与N-S方程数值解之间的相对偏差。研究结果表明,在低雷诺数下扇形流道内的三维Stokes流可以分解为两个二维流动,即压力降推动的轴向流及圆弧外壁旋转诱发的扇形腔内截面流;流道内的轴向速度和周向速度与扇形角平分线成对称分布关系,而径向速度成反对称关系;雷诺数Re1的条件下,解析解与数值解相对偏差小于2%,随着雷诺数增大两者结果的偏差显著增大,但雷诺数在100以下时最大偏差不超过10%,表明本文的解析解不但可以应用在雷诺数极低的Stokes流,还可以应用到雷诺数较小的部分层流。     

偏心及部分进汽下密封间隙流体激振力数值研究

喷嘴配汽汽轮机在部分进汽时调节级附近会形成极不均匀的流场,不仅影响调节级动叶轮周力的分布,还会对临近密封间隙内的流场及流体对转子的作用力产生扰动。以某国产300MW汽轮机端部汽封间隙为参考,建立密封间隙CFD模型,求解三维、粘性、可压缩N-S方程,研究了不同进汽方式、偏心情况下流场特性及流体对转子作用力。结果表明:部分进汽的位置、转子的偏心距及两者的相对位置对汽流力的大小、方向和变化趋势产生了较大的影响。在某些部分进汽情况下,偏心距增大也会减小汽流力。     

空气静压轴承流场对微振动的影响机制

为讨论空气静压轴承微振动的影响因素,针对轴承间隙的流场特性进行仿真分析,探讨流场雷诺数与微振动的关系。首先在不同的供气压下,针对轴承间隙进行跨音速流动分析,研究流场结构;其次,分析雷诺数对于漩涡流所致激励力的影响,并进一步采用流固耦合方法,讨论雷诺数对于微振动的影响;最后,建立近似模型讨论气腔容积、小孔孔径、气膜厚对流场最大雷诺数的影响,即研究轴承参数对漩涡激励大小的影响。结果表明：流场最大雷诺数可用以表征漩涡流所致扰动激励的强弱,但微振动还取决于气膜-被支承件系统的动力学性能;在气腔容积较小时,漩涡激励作用更弱,意味着轴承运转的稳定性更好。相关流动机制分析可为以削弱微振动为目的的轴承设计提供参考。     

高速电主轴油气润滑流场仿真分析

利用三维软件Solidworks对电主轴进行建模,研究在不同转速下油气润滑流体流经电主轴时的速度场分布情况;分析电主轴转速、电主轴定转子间隙对润滑流场的影响。结果表明:随着电主轴转速增加,润滑流体流出电主轴的速度不断增大,当转速超过一定值后润滑流体流场变化剧烈,且出口处流场的最大速度区域出现位置一般呈90°夹角分布;流体流经定转子间隙时,速度场在轴向上呈现先增加后减小的趋势,在径向上呈现由转子表面向定子表面递减的趋势;通过增加出口长度的方法,可以提高回流现象出现的临界转速。     

基于CFD的液力变矩器内部流场分布特征研究

为提升液力变矩器性能,需要进一步研究液力变矩器内部流动,获取流动特征规律。针对某型液力变矩器进行不同速比下内部流场的CFD数值模拟,并分析其流动现象,得出该变矩器内流场中流动状态的速度、漩涡的分布规律。结果表明,流体的相对速度随速比升高有下降趋势,漩涡结构随速比增大而增大。相同速比下,不同叶轮中、不同弦面的流体出现不同类型二次流。通过CFD研究发现二次流主要出现在泵轮和导轮中,其中叶轮进出口处漩涡湍动能较高,能量损失较大。流场分布规律研究可以指导液力变矩器设计,使流场分布合理并且减少二次流等现象,对提高液力变矩器的效率有重要意义。     

错列排布S型翅片流道内流动与传热特性数值研究

对错列排布的S型翅片流道内的流体流动与传热特性进行了数值计算研究,考查了局部、流场分布,分析了不同雷诺数下局部传热系数分布,随着雷诺数增加,传热系数升高.同时从场协同的角度分析了传热系数变化的原因.与传统波纹翅片结构进行对比,S型翅片结构协同角降低,场协同程度提高,对流传热系数增加.     

不同叶型结构对悬臂式静叶气动性能的影响

本文以某小型大涵道比涡扇发动机静子叶片为研究对象,采用数值模拟的方法探究不同结构的悬臂静叶对静叶流场以及流动损失。研究结果表明：前掠结构会增加泄漏流与流道内其余低能流体发生掺混的可能性,但不会降低悬臂静叶的总压损失。后掠结构和弯造型对于悬臂静叶的气动性能无明显优化作用。     

基于流固耦合作用的柔性体流噪声降噪机理研究

舵体与流体相互作用产生的流噪声是水动力噪声的主要来源之一,这种噪声以宽频噪声为主,一般的降噪措施难以对其进行有效控制,而柔性舵体提供了解决的技术方案。以柔性NACA0018翼型为对象,基于流场大涡模拟、考虑任意运动固体边界的声学FW-H方程、并进一步利用弱耦合流固耦合算法考虑流体与柔性体的相互作用,对柔性翼型绕流非定常流场及流致噪声进行仿真,系统地分析不同攻角下柔性体的变形对流动、声源特性及流噪声辐射特性的影响。仿真结果表明:柔性体的变形延缓了壁面的流动分离,减小了湍流区,并抑制了壁面的压力脉动;降低了转捩区和湍流区的壁面声源强度,层流区的声源强度在大攻角下减小,而在小攻角下增大;随着攻角的变化,远场辐射噪声总声压级在翼型弦长方向和法线方向上呈现不同的变化规律,噪声频谱特性也表现出不同的规律。     

横掠紧凑叉排管束流动的数值模拟与分析

本文对横掠紧凑叉排管束二维流动进行了数值模拟,获取了管束内部流场速度及压力分布。计算结果表明,对于紧凑管束(s/d<1.12),流体在经过第一排管束以后流场速度分布已趋于稳定。随着雷诺数的增加,管束背面出现反向流动的漩涡,阻塞过流通道,引起管束两端压差的上升。此外,本文通过分析不同间距管束流动(s/d=1.04～1.12)在多个雷诺数条件下(Re=730,1460,2190,2920)阻力损失的变化特征,发现管束流动损失水平与雷诺数呈指数为1.6～1.77的幂函数关系。在较高雷诺数(Re=2920)下,随着管束间距的减小,其阻塞效果急剧增加。