后置分流平板对并列双圆柱流场特性的影响

数值模拟了Re=200情况下分流板对并列双圆柱流场的影响,并列双圆柱的间距比为1.5 D(D为圆柱的直径),分流板放置在并列双圆柱下游中心线G/D=0.5～1.5的位置;采用有限元法进行数值求解.计算表明,在合适的位置分流板可以抑制并列圆柱后的偏流,减小升阻力.分流板并不能很好地控制旋涡脱落但有一定的削弱作用.     

基于表面涡方法的单列圆柱流体诱导振动及流弹性不稳定研究

基于表面涡方法和流固耦合模型研究了Re=2.67×104时的单列圆柱流体诱导振动问题,计算了流体力、振动响应、涡脱落频率等,并给出了涡云图。计算模拟结果很好地重现了刚性单列圆柱在T/D=1.5(小间隙比)下以宽窄尾涡交替和多频为特征的非均匀流态,以及T/D=2.0的涡脱落现象。此外,该文还研究了单列弹性圆柱在T/D=1.5时的流体诱导振动以及流体弹性不稳定问题,计算了SG=1.29时圆柱列的无量纲临界速度。     

喷射方法对尾流旋涡脱落的抑制

采用数值模拟的方法研究了尾部喷射对波动来流绕圆柱流动旋涡脱落的抑制,进而研究圆柱尾流控制机理.研究流场的无量纲波频范围为0².8,来流波动的无量纲幅值为0.2,雷诺数=200.在圆柱尾部沿圆柱母线开宽度为0.04倍柱体直径的缝隙,从缝隙中射出流体对尾流进行抑制,寻找可有效抑制旋涡脱落的喷射速度范围,进而求出雷诺数=200,无量纲振幅为0.2时有效抑制范围.当喷射速度在一定范围内时,可有效抑制旋涡脱落,并且随着无量纲频率的增大,有效抑制范围逐步减小.     

展向局部加热与圆柱尾流的绝对不稳定性

采用对圆柱展向局部电加热的方式，在水槽中实验研究了临界／亚临界雷诺数圆柱尾流的绝对不稳定性．利用可控电加热改变圆柱表面温度分布，对二维圆柱绕流引入局部三维扰动，观察其对于临界／亚临界雷诺数圆柱尾流稳定性的影响．研究表明，在临界雷诺数状态，圆柱绕流尾流具有绝对不稳定性，在亚临界雷诺数状态，圆柱绕流尾流则是对流不稳定的．加热圆柱展向局部涡脱落存在锁频现象．     

小间距比下串列双圆柱涡激振动数值模拟研究:振动响应和流体力EI北大核心CSCD

对小间距比(L*=1. 1～1. 5)下串列双圆柱涡激振动进行了数值模拟研究,其中Re=100,折合流速为U_r=3～30,质量比为m*=2. 0。为保证圆柱之间的距离不变,两圆柱均仅作横向振动。根据圆柱响应的不同将间距比范围内的涡激振动分为三种:(1)间距比L*≤1. 1时,响应存在于较大的折合流速(U_r=4～28)范围内;(2)间距比L*=1. 2～1. 3时,在大折合流速时,类似于高雷诺数时的尾流弛振出现;(3)间距比L*≥1. 5时,响应随折合流速增加并达到最大值,之后随折合流速缓慢减小,并最终稳定在较大的幅值上。对应不同的响应类型,上游和下游圆柱的流体力也呈现不同的变化;由于受到上游圆柱的屏蔽,下游圆柱的阻力均值要明显小于上游圆柱;在出现尾流弛振的区域,两圆柱的升力均方根随折合流速增加;此外,某些折合流速下圆柱之间的非稳定耦合作用也被反映出来。     

小间距比下串列双圆柱涡激振动数值模拟研究:尾流和耦合机制

对小间距比(L*=1. 1～1. 5)下串列双圆柱涡激振动的尾流和耦合机制进行了全面的研究,其中Re=100;两圆柱均仅作横向振动。对尾流的研究发现,当间距比L*=1. 1～1. 3时,小折合流速时对应经典的卡门涡街,而折合流速较大时,尾流则变得混乱起来,难以分辨其模式;当间距比L*=1. 5时,尾流均为规律的2S模式。耦合机制分析发现,串列双圆柱平衡位置差的变化促成了在间距比L*=1. 1时广折合流速响应的存在;而多频成分参与的不稳定耦合作用成为在间距比L*=1. 2～1. 3时类尾流弛振现象的诱因;大振幅响应在间距比L*=1. 5时得以持续的动力则源于上游圆柱脱落旋涡产生的低压区和下游圆柱低频的运动;此外,一种新的平衡位置间歇跳跃现象在间距比L*=1. 1和折合流速U_r=15时出现,且响应在上侧的新平衡位置能稳定更长的时间。     

基于拓扑网格方法的多钝体流致振动分析

多钝体流致振动是一个较为复杂的流固耦合过程,普遍存在于自然界和工程领域。为了减小高幅振动时网格变形引起的计算误差,基于非定常Navier-Stokes方程对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱流致振动进行数值求解,采用耦合界面结合拓扑网格变形技术,实现流体与多个运动钝体之间的耦合计算。将数值结果与实验进行比较分析,验证了该数值方法是处理高振幅多钝体流致振动的有效方法。研究结果表明上游圆柱的存在对下游圆柱流致振动和旋涡形成产生明显影响。串列双圆柱流致振动振幅和频率响应与实验测试趋势一致,清晰观察到了涡致振动初始分支和上部分支;并且当Re8×10~4时,圆柱流致振动由涡致振动向驰振过渡。圆柱尾涡形态随流致振动分支切换发生变化,当驰振发生时,下游圆柱的尾涡形态受上游圆柱影响难以捕捉。随着双圆柱间距增大,低Re时下游圆柱受到上游圆柱的抑制作用减弱。三维多柱体流致振动计算结果更接近实验值,如何提高三维数值计算速度将是下一步研究工作的重点。     

上游小圆柱对并列双圆柱尾流的影响

采用有限元方法数值模拟了控制小圆柱对并列双圆柱偏流的控制作用.计算区域为60 D×20 D,并列双圆柱距上游10 D,下游50 D,控制小圆柱的大小d/D=0.15和0.25,分别放置于并列双圆柱上游中心线上L/D=2.0,2.5,3.0,3.5的位置处.数值模拟着重研究了流场形态、升阻力系数变化曲线及升力系数频谱图.结果发现,控制小圆柱不能完全抑制并列双圆柱后宽的和窄的尾流,但对并列双圆柱旋涡脱落有一定的削弱作用.     

上游切角对串列双方柱气动性能影响研究

串列双方柱气动干扰效应与方柱本身的绕流特征有很大的关系,方柱角部局部外形变化将对串列双方柱的气动干扰效应产生明显的影响,相关的研究仍较少。采用基于雷诺平均SST k-ω湍流模型的二维非定常绕流数值模拟方法,研究了上游方柱无、有切角(切角率10%)对串列双方柱气动性能的影响,通过间距比为2.0时无切角工况的数值模拟结果与文献试验结果的对比,验证了模拟方法及参数设置的有效性;根据升、阻力系数的对比分析,确定了上游无、有切角时串列双方柱的气动力突变临界间距比分别为4.6和4.1;对两临界间距比情况的无、有切角串列双方柱,分别进行了基于空间平均的三维非定常绕流大涡模拟,从风压分布角度详细分析了上游方柱切角处理对串列双方柱气动性能的影响,从方柱周围的时均和瞬态流场角度进行了机理分析。上游方柱切角后,在剪切层发生分离再附,尾流变窄,旋涡脱落更趋复杂,引起流场流态的变化,风压分布受到影响,方柱升、阻力系数降低,临界间距缩短。     

串列多圆柱气动力干扰效应的试验研究

通过刚性模型测压风洞试验,在均匀流场中对比研究了不同数量和不同间距串列多圆柱气动力的干扰效应。串列多圆柱两相邻圆柱的中心距L与圆柱的直径D之比L/D的变化范围为1.2~12.0。圆柱数量的变化范围为1~4。试验的雷诺数为3.4×10⁴。试验结果发现:串列多圆柱发生流态切换的临界间距比(L/D)cr为3.5~4.0,在临界间距附近,前两个圆柱的时均阻力系数和脉动升力系数突升,其余圆柱则突降,所有圆柱的斯托罗哈数均突升;气动干扰对串列多圆柱时均阻力系数和斯托罗哈数的影响主要表现为减小效应;后方干扰圆柱数量的增加对上游第一个圆柱气动力的影响基本可以忽略;前方干扰圆柱数量的增加对下游最后一个圆柱的气动力影响显著。     

串列双方柱干扰效应流动机理研究

为了研究建筑群体周围的流场结构,减小工程设计中由于干扰效应造成的损失,利用粒子图像测速(PIV)结合数值模拟,研究在较大雷诺数及不同间隙工况下,双方柱流场受干扰时的流动特性及流场空间结构。分析升阻力系数、涡脱频率、斯特劳哈尔数等流场特征参数,探究不同间隙对串列双方柱的影响。当Re=3.42×104时,存在临界间隙比G=4使串列双方柱流场结构发生突变,试验观察到流场中出现双稳态现象;当G<4时,下风向方柱平均阻力系数为负值,小于单方柱情况下的阻力,屏蔽效应明显,上风向方柱后方涡脱落被抑制,平均阻力系数出现了明显的降幅,最大降幅约达10%;当G>4时,上下方柱均有涡旋脱落。该结果对于工程应用具有参考意义。     

基于模型试验和数值模拟的柔性串列圆柱体涡激振动研究

采用物理模型试验和CFD数值模拟方法研究了大长径比、低质量比的柔性串列圆柱体涡激振动现象。通过分析串列圆柱振幅、振动频率、受力特性和流场结构等特性,着重研究流速和圆柱间距对下游圆柱涡激振动特性影响。研究发现,上、下游圆柱涡激振动幅值差别较大,并且当流速大于某个值后,两者主导频率也不相同,由此提出分离约化速度U r。流速和间距都会影响上游尾流对下游圆柱的作用,其中流速会影响上游尾涡强度及其发展程度,间距会影响上游尾涡发展空间及其与下游圆柱的接触位置。     

双圆柱尾流致涡激振动的质量比效应及其机理

双圆柱尾流激振受多种因素影响,情况复杂,质量比m*(相同体积的圆柱与流体质量的比值)对双圆柱尾流激振的影响规律尚未澄清。采用数值模拟方法,在低雷诺数下(Re=100),研究了三种质量比(m*=2,10,20)对串列双圆柱尾流致涡激振动特性和尾流流场结构的影响规律,分析了下游圆柱的升力与位移的相位差,探讨了涡激升力与能量输入的内在联系。结果表明:质量比对串列圆柱尾流致涡激振动有重要影响。随着质量比的增大,横流向最大振幅减小,并发生在较小折减速度下,振动锁定区域范围变窄;质量比越小,升力与位移之间的相位差对下游圆柱振幅的影响越显著;在较小质量比时尾流出现“2S”、不规则和平行涡街模态,而在较大质量比时只有“2S”和平行涡街模态。     

低雷诺数下串联双圆柱涡激振动机理的数值研究

利用有限元数值方法求解不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程,结合任意拉格朗日-欧拉（ALE）动网格方法,对低雷诺数下（Re = 150）等直径串联圆柱的涡激振动问题进行了数值模拟研究。其中上游圆柱固定,下游圆柱在弹簧和阻尼作用下允许同时发生顺流向和横流向的运动。在约化速度Ur = 3.0 ~ 12.0的范围内（阻尼比ξ = 0.007）研究了两圆柱圆心间距比（LX / D = 3.0、5.0、8.0）及圆柱质量比（m* = 5.0、10.0、20.0）对下游圆柱的运动响应及受力的影响。数值结果表明,圆柱间距比的变化会导致锁定区间的变化,进而影响到圆柱涡激振动的位移响应和受力特性。这些方面都与尾流区涡旋脱落模式密切相关,体现了双圆柱间干涉作用对涡激振动的影响。进一步的研究表明,圆柱质量比的变化对以约化速度表征的锁定区间、运动响应和尾流模式等都有一定的影响作用。     

Effects of an airfoil and shock waves on vortex shedding process behind a square cylinder

Summary Effects of an airfoil and shock waves on vortex shedding process behind a square cylinder have been examined experimentally at a Mach number of about 0.91 and at a Reynolds number (based on the side lengthD of the square cylinder) of about 4.2×10⁵. The main experimental parameter is the spacing ratioL/D, and is varied from 1.125 to 5.5, whereL is the spacing between the square cylinder and the airfoil.It is found that similarly to the case at subcritical Mach numbers at the supercritical Mach number there exist three patterns of the flow around the square cylinder and airfoil arranged in tandem depending upon the spacing ratioL/D: In the first flow pattern with small spacing ratio, the downstream airfoil is enclosed completely in the vortex formation region of the square cylinder. In the second flow pattern, the shear layers separating from the square cylinder reattach to the airfoil. In the third flow pattern with large spacing the shear layers roll up upstream of the airfoil. The Strouhal number at the supercritical Mach number is higher than that at the subcritical Mach numbers. Shock waves hasten the vortex shedding behind the square cylinder by decreasing the area of asymmetrical part of the vortex formation region with respect to the wake axis, and let the streamwise length of the separating shear layers longer than otherwise.With 8 Figures     

圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究

采用粒子图像测速技术对630、800及950三种雷诺数条件下的圆柱绕流场进行了实验,给出了圆柱下游沿流动方向4倍圆柱直径和垂直方向3倍圆柱直径区域内的速度场、涡量场以及涡脱落现象的时空演化规律.结果表明:圆柱尾流区域位于垂直方向约1.5~2.5倍圆柱直径范围内,随着雷诺数增大,这一范围呈现缩小趋势,而主流对涡的拉伸和输运能力有所增强;涡脱落频率随雷诺数增大而增大,小雷诺数时能够较为完整地捕捉到涡生成、脱落、发展和耗散过程,由于PIV采集频率的限制,大雷诺数条件下涡脱落整个过程不易被完整捕捉到.     

缆索承重桥并列索平均气动性能的雷诺数效应

近距离并列吊索和并列斜拉索在大跨度缆索承重桥中有广泛的应用,但目前在计算并列索静力风荷载时只考虑顺风向阻力的影响,没有考虑因尾流干扰所产生的横风向升力的作用。通过风洞试验,在雷诺数Re= 0.9×105~4.6×105（涉及亚临界雷诺数区和临界雷诺数区）研究了多种不同相对位置的并列双圆柱的平均阻力、平均升力和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律。研究结果表明:并列圆柱的平均气动性能有强烈的雷诺数效应,临界雷诺数下的气动力系数与亚临界区有很大的差异;在临界雷诺数区域,下游圆柱的平均升力系数会随雷诺数的增大发生不连续突变,这种气动力的突变很可能与双圆柱绕流场的流态结构的演变有关;受上游圆柱的尾流干扰,在临界雷诺数区域内下游圆柱的平均升力系数可达到1.25以上,远大于下游圆柱的平均阻力系数,因而在计算并列索静力风荷载时有必要考虑横风向平均升力的作用。