扭曲圆柱绕流特性的大涡模拟

为了有效抑制涡激振动对海洋平台和立管的破坏,需要对圆柱尾涡绕流特性进行进一步研究.本文采用大涡模拟方法对雷诺数Re=28 712时不同扭曲角度α的扭曲圆柱湍流流动进行了数值模拟.通过与光滑圆柱计算结果对比得知,α=40.时扭曲圆柱对阻力与升力的抑制效果最好,相应的涡形成长度显著增大,同时圆周表面最小压力系数要大于光滑圆...     

不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算

应用计算流体力学软件Fluent对不种雷诺数下(亚临界区、超临界区、极超临界区)的圆柱绕流进行仿真计算.采用大涡模型(Large-eddy simulation),不可压缩的Navier-Stokes方程,计算了三维圆柱绕流的气动力特性.系统分析了涡脱落形态,阻力系数,Strouhal数随雷诺数的变化情况.数值计算结果表明流动呈明显的三维特性,在105≤Re≤106时出现阻力危机现象,从亚临界区、超临界区到极超临界区,涡脱落形态由规则到不规则再到规则.     

二并列方柱绕流的大涡模拟

在相关文献的基础上发展了二阶全展开ETG有限元计算格式，并与湍流的大涡模拟技术（LES）相结合，对雷诺数为10000条件下的二并列方柱绕流的流场进行了数值,重点在于较好地捕捉低频大尺度旋涡及其随时间的演变。对于若干指定点，给出了压应力的时域过程并进行了频谱分析。结果表明，在边界条件完全对称的前提下，对称点压应力的频谱并不相同，但差别主要集中在频率略高，含能甚少的频段。     

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。     

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.     

并列切角方柱风致干扰效应的大涡模拟研究

针对并列切角高层建筑间的干扰影响问题,本文采用大涡模拟方法研究雷诺数22 000的均匀流场下并列切角(切角率10%)方柱的干扰效应。基于模型的网格收敛性分析及模型准确性验证,对比分析不同间距比下并列切角方柱的气动干扰效应和流场分布,并探寻风压干扰效应的影响规律和形成机理。结果表明：对于并列切角方柱,平均阻力系数主要呈放大效应,脉动升力系数主要呈减小效应。在并列切角方柱处于小间距(B/L=1.2)时,由于风与壁面的相互作用,产生风压力,风压力与方柱表面力叠加,对正压区域产生加强效果,表现为放大效应,对负压区域进行削弱,出现减小效应;当B/L=1.5时,结构干扰最剧烈,其中相邻立面后流场的切角处放大效明显,干扰因子最大值为2.58;当B/L≥4.0时,除相邻立面外的其他立面与切角干扰效应趋于消失;当B/L=8.0时,相邻立面仍然存在28%的放大效应。     

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。     

圆柱绕流涡致振动的平面湍流数值模拟

为了研究工程中存在的湍流涡致振动问题,应用平面湍流k-ε模型和重整化群k-ε模型,结合分块耦合方法及任意拉格朗日欧拉法（ALE）数值模拟了圆柱绕流涡致振动,求解基于非交错网格系统, 其中包含满足连续性方程的压力泊松方程解法.计算了湍动能、湍流耗散率、湍流黏性系数及柱面涡量的变化情况.结果表明,当雷诺数为5 000～2×105时计算所得的阻力系数与实验数据吻合良好.研究发现,在涡致振动情况下的湍流耗散率比固定圆柱涡脱落情况下小得多,湍流黏性系数与雷诺数呈对数律增长.     

Re=3 900圆柱绕流的三维大涡模拟

为研究亚临界雷诺数范围内圆柱绕流流场特性及三维大涡模拟方法的适用性,基于C++语言及有限体积法开发了三维非结构化网格的大涡模拟计算程序.采用新的高稳定性高精度二阶离散格式,及Smagorinsky亚格子模型对Re=3 900均匀来流条件下的圆柱绕流问题进行数值模拟,并统计获得了平均流场参数及湍流流场的详细结构特性.结果表明:采用本文的网格、计算步长和高稳定性二阶离散精度大涡模拟方法计算所得的湍流场一阶统计特性和二阶统计特性与实验值吻合很好.验证了大涡模拟程序在模拟亚临界雷诺数下圆柱绕流流场平均值及脉动值的合理性.     

粘性流体圆柱绕流的有限元模拟

对粘性流体圆柱绕流进行了数值模拟。根据三阶Taylor展开弱解的概念,在二阶分裂步Taylor-Galerkin有限元法基础上,采用时间推进和张量分析的方法推导了对流扩散通用微分方程的ETG有限元离散格式。对Reynolds数为32、102和250的粘性流体圆柱红流流场进行了数值仿真,数值模拟结果与实验结果吻合良好。表明隐含流线迎风耗散作用并具有三阶部分展开的Taylor-Galerkin有限元法稳定性好,精度较高,可用于计算包含对流扩散耦合传递动量的绕流问题及类似的流动问题。     

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.     

横掠并列双方柱强制对流换热的频谱分析

应用大涡模拟与二阶全展开ETG有限元离散格式相结合的方法对横掠并列双方柱强制对流换热进行了数值模拟,研究了间距比为1．5的情况下横掠并列双方柱强制对流换热的速度场及温度场．并根据长时程的模拟结果对温度场参数进行了频谱分析．结果表明：横掠并列双方柱强制对流换热问题的温度场参数的时域过程虽然不对称,但频域过程基本上是对称的．     

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。     

三维错列双波浪锥柱绕流流动特性数值仿真

利用大涡模拟分析了雷诺数Re=3 900下间距比为L/Dm=4和5、交错角为α=0～15°的错列双波浪锥柱升阻力特性、流场结构及尾迹干涉效应。研究发现:对于特定间距比L/Dm=4、5,下游波浪锥柱脉动升力系数得到显著提高,在α=10°时较单直圆柱分别提升20.1倍和21.4倍,这主要是由上游波浪锥柱尾涡卷起撞击在下游波浪锥柱的一侧,下游波浪锥柱表面产生周期性的耦合力导致;受上游波浪锥柱两个自由端及其侧面来流与下游波浪柱作用产生的回流区的影响,下游波浪锥柱时均阻力系数显著降低。随着交错角增加,对于间距比L/Dm=4、5,下游波浪锥柱时均阻力系数逐渐接近上游柱,且在α=10°时,时均阻力系数较单圆柱分别降低34.9%和18.8%。涡量图展示了错列双波浪锥柱之间的完全撞击状态,侧面撞击状态和尾流干扰状态;且由于波浪锥柱表面形状的影响,使得流经波浪锥柱后方的尾涡存在明显分层现象,侧面撞击状态相对于其他两种状态能提供更大的脉动升力系数。本文研究结果可为风力俘能结构列阵的布局提供理论支持。     

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.     

均匀流场中串列双圆柱水动力特性的数值实验研究

采用计算流体软件CFX-5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了二维不可压缩均匀流中孤立圆柱及串列双圆柱的水动力特性.使用非结构化网格六面体单元和有限体积法对二维N-S方程进行求解.数值实验着重研究了高雷诺数时串列双圆柱在不同间距比时的压力分布、阻力、升力及St数随Re数的变化趋势.稳态力及St数的数值计算结果与实验结果吻合较好.     

Large eddy simulation of unsteady transitional flow on the low-pressure turbine blade

The aim of this paper is to predict the phenomenon of laminar separation,transition and reattachment in a low-pressure turbine(LPT).Self-developed large eddy simulation program of compressible N-S equations was used to describe the flow structures of T106A LPT blade profile at Reynolds number of 1.1X105 based on the exit isentropic velocity and chord length.The computational results show the distributions of time-averaged wall-static pressure coefficient and mean skin-friction coefficient on the blade surface.The locations of laminar separation and reattachment points occur around 87%and 98%axial chord,which agree well with experiment data.The two-dimensional shear layer is gradually unstable along the downstream half of the suction side as a result of the spanwise fluctuation and the roll up of shear layer via Kelvin-Helmholtz(KH)instability.Three-dimensional motions appear near 84%axial chord which later triggers spanwise vortexes and streamwise vortexes,leading to transition to turbulence in the separation bubble.Through introducing the concept of dissipation function,the high loss mainly comes from the places where strong shear layer and intense fluctuation exist.Furthermore,the separation region is only an accumulation center of the low-energy fluid rather than an area of loss source.     

等离子点火器三维燃烧流场的大涡模拟

针对等离子点火器的三维燃烧流场进行了大涡模拟．对亚格子项采用Smagorinsky-Lilly模式,湍流燃烧采用涡耗散模型,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,空间离散采用中心差分格式,时间离散采用二阶精度的隐式差分格式．得到了燃烧反应流特性参数的分布、湍流燃烧的瞬态发展变化过程以及在拟序结果影响下燃烧的特征．大涡模拟结果表明,复杂的漩涡结构与化学反应的相互作用控制和强化了燃烧过程;在燃烧的充分发展阶段,大涡模拟能更好地反映流场的各项异性和合理的湍流统计物理量的分布,描述了湍流拟序结构对湍流燃烧的影响。