圆柱桥墩绕流试验研究

基于粒子图像测速技术（PIV）开展物理模型试验,对雷诺数Re分别为2 400、6 000、12 000条件下,流向桩心距比为5、横向桩心距比为4时,3×3矩形排列圆桩群桩的局部流场特性开展研究。结果表明,中下游桩间与上中游桩间的流场特性存在显著差异,雷诺数对桩间流场变化影响明显。当Re为2 400和6 000时,上游中间桩后的尾流涡漩生成长度及回流区长度明显大于两侧边桩,Re为6 000时现象更明显,而当Re增大至12 000时此现象消失。受上游桩遮蔽作用,中游桩桩后的尾涡强度明显弱于前排桩,回流区面积随之减小。随着雷诺数增大,上游桩桩后尾涡生成长度、回流区尺度逐渐减小。此外,还分析了紊动强度与雷诺切应力在群桩内部平面上的分布变化。本研究以高桩码头桩基础为原型,分析群桩内部流场特性变化,研究结论有助于推进高桩码头泥沙冲淤变化机理的研究,提高高桩码头的安全评估能力。

     

防撞浮箱对桥墩绕流影响的数值研究

在桥墩自由液面处加装防撞浮箱是目前常用的桥墩防撞方法.为了揭示防撞浮箱对桥墩绕流的影响,该文选取圆形桥墩,通过求解不可压缩流动RANS方程,采用雷诺应力(RSM)湍流模型,数值模拟了加装防撞浮箱的桥墩绕流.首先通过与圆柱绕流模型试验的对比,验证了数值仿真方法的合理性和结果的精确度;然后再进行不同水深下,加装不同截面形状和不同截面尺寸防撞浮箱的桥墩绕流数值计算,分析了防撞浮箱和水深对桥墩阻力系数、流场结构以及桥墩局部冲刷的影响.结果表明:加装防撞浮箱将增大整个结构的阻力,改变桥墩后部的涡结构;防撞浮箱截面形状和尺寸的变化都会对桥墩绕流产生影响,进而影响桥墩自身结构和桥区航道的安全通航,此外水深变化也是不可忽略的因素.研究结果可为桥墩防撞浮箱设计提供相关参考.     

高雷诺数圆柱绕流的数值模拟

本文试图通过不同精度的差分格式在较高Re数下的计算结果的对照比较,以期了解在高Re数下不同格式的优劣,达到合理选择计算格式,使其达到既计算精确,又相对节省时间的目的。     

粘性流体圆柱绕流的混合有限分解析

应用混合有限分析法拟合坐标系对粘性流体圆柱绕流进行了数值计算，得出Ｒｅ〈４０形成的分离区长度和分离角同试验资料吻合很好。也计算了Ｒｅ＝１００和２００时，旋涡的形成和脱落，算得的脱落斯特罗哈数分别为０．１６和０．１９，同试验结果完全相符。     

圆柱桩群绕流包络线张角测试研究

参照单柱绕流现象建立了桩群绕流包络线张角的概念,通过有限深度均匀流水槽试验研究了不同圆柱桩群对均匀水流绕流包络线张角大小的影响规律,并进行了对比分析。结果表明:随着圆柱桩群阻流率、排架密度、桩群长度、桩群迎流角的增大,均匀水流绕流圆柱桩群包络线张角增大;不同流速的水流应对圆柱桩群绕流的反应不一,流速越大反应越剧烈。     

桥墩群体绕流的复变函数理论解

桥墩群体绕流的复变函数理论解给出了在平面无旋流动条件下,多个桥墩绕流的理论解,从而将经典流体力学的桥墩绕流的理论解由单个推广到了多个.采用该理论解,通过试算得出了桥墩横断面的理论曲线,可根据预定的墩间流速进行多个桥墩绕流时的横断面设计,合理地确定桥墩间距,并可给出墩间二维流场理论解.按势流处理,水流流过该理论解给出的桥墩横断面时是无分离的,虽与实际情形有所出入,但具有理论基础,因此可供桥梁工程规划、设计参考引用.     

双圆柱绕流的大涡模拟

基于FLUENT软件平台上的三维大涡模拟方法,对定常来流流场中的单圆柱及不同排列形式的双圆柱进行了水动力计算,并对圆柱周围的瞬时流场、时均流场以及圆柱受力进行了分析.分析结果表明,当Re=6×104时,串列双圆柱中上游圆柱受力明显大于下游圆柱,下游圆柱Gd、Cl的变化频率满足fd=2fl,两圆柱的脱涡频率近似相等,涡街的相位相同;并列双圆柱的Cd基本相等,且变化趋势有一定相似性,脱涡频率均接近单个圆柱,涡街的相位相反;交错45.排列的两个圆柱Cd基本相等,脱涡频率接近,下游圆柱的涡街相位明显滞后于上游圆柱.     

粘性流体圆柱绕流的混合有限分析解

应用混合有限分析法拟合坐标系对粘性流体圆柱绕流进行了数值计算,得出Re<40形成的分离区长度和分离角同试验资料吻合很好。也计算了Re=100和200时,旋涡的形成和脱落,算得的脱落斯特罗哈数分别是0.16和0.19,同试验结果完全相符。     

基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟

该文采用计算流体软件CFX5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性。使用有限体积法对三维N-S方程进行求解。数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性。数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性。     

三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。     

低雷诺数条件下并列三圆柱绕流的尾流模式和水动力系数研究

该文应用浸入边界法对雷诺数Re(28)100和间距比T/D(28)1.1-5.0条件下的等间距并列三圆柱绕流进行了数值模拟。研究发现,尾流模式与无量纲圆柱间距比T/D密切相关,在所研究的间距比范围内共出现六种尾流模式,分别为:单体尾流模式(T/D(28)1.1-1.2)、偏斜尾流模式(T/D(28)1.3)、第一类Flip-Flopping(FF1)尾流模式(T/D(28)1.4-1.5)、第二类Flip-Flopping(FF2)尾流模式(T/D(28)1.7-2.3)、同步尾流模式(T/D(28)2.5-3.2)和调制尾流模式(T/D(28)3.3-5.0)。通过分析近尾流的涡量图、升阻力系数时程曲线和不同圆柱所受升力的相位差,详细研究了各个尾流模式的特点和联系。     

高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟

本文使用表面涡法研究高雷诺数下不同排列方式双圆柱绕流的流动状态，计算了双圆柱在并列、串列及级列的情况下的各种流动结构，涡街的变化及作用在圆柱上的受力情况。本文结果清楚地描述了双圆柱绕流复杂的流动状况，计算结果与实验显示的流动状况十分相似，斯特罗哈数和阻力系数与实验结果符合得很好。     

流向振荡圆柱绕流中的涡脱落模态分析

本文用有限体积法对平行于均匀来流方向受迫振荡的圆柱绕流问题进行了二维数值模拟。雷诺数选取Re=200、855等几种亚临界雷诺数情况。研究了不同振幅和振动频率下的流场结构、涡脱落模态和一些重要流动参数如升阻力系数、Strouhal数的变化关系。西文计算表明，流向振荡圆柱绕流中涡脱落方式可划分为对称与反对称两种形态，在反对称的涡脱落现象中又观察到了三种基本模态，相互竞争的各种模态间的共同作用对流动特征起决定性作用。同时计算结果还验证了在圆柱绕流实验中观察到的频率锁定现象。     

床面上直立圆柱绕流问题的湍流模型比较

该文采用RANS方程和RNGk-ε、k-ω以及RSM三种湍流模型进行计算,模拟了床面上直立圆柱周围的三维复杂流场,分析了定床条件下光滑床面和粗糙床面条件下流场的形态,并将计算结果与实验进行了对比.结果表明,这三种模型均能模拟出圆柱周围的流场,但是在结果上有一定的差别.要使k-ω模型较好地模拟床面的剪应力,需要比其它两个模型更密的计算网格.与RNGK-ε,k-ω模型相比,RSM模型能够更好地模拟圆柱附近的速度场和床面的剪应力,但是计算时间往往更长.     

三圆柱绕流压力的脉动幅度及其与RMS值数值关系的实验研究

本文用实验的方法研究了单圆柱和正品字和倒品字排列三圆柱脉动压力幅度的大小以及它们与均方根(RMS)值之间的定量关系.在大多数情况下,脉动幅度是RMS值的3～4倍,有较固定的数值变动范围.强烈的压力脉动发生在后排圆柱的某些部位,表明了群体干扰对脉动压力幅度的严重影响,而缝隙流动影响了它们与RMS值之间的比例关系.     

FLUENT软件在圆柱绕流模拟中的应用

使用计算流体力学软件FLUENT，模拟均匀来流绕固定圆柱的流动，模拟雷诺数为20，40，100时的绕流流动，得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明：当雷诺数增加时，流动表现出一系列不同的构造。在雷诺数约为40前后流场有明显变化。小于这个数时，存在一对位置固定的旋涡。大于40时，流场开始变得不稳定，旋涡扩大、脱落、又生成，逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡。并与实验及数值模拟结果比较，确认FLUENT能够很好地预测流动结构。     

三圆柱绕流压力的脉动幅度及其与RMS值数值关系的…

本文用实验的方法研究了单圆柱和正品字和倒品字排列三圆柱脉动压力幅度的大小以及它们与均方根（ＲＭＳ）值之间的定量关系。在大多数情况下，脉动幅度是ＲＭＳ值的３￣４倍，有较固定的数值变动范围。强烈的压力脉动发生在后排圆柱的某些部位，表明了群体干扰对脉动压力幅度的严重影响，而缝隙流动影响了它们与ＲＭＳ值之间的比例关系。     

圆柱桥墩局部冲刷机理试验研究

为进一步探索圆柱桥墩局部冲刷机理,分别从桥墩附近水流流速分布特性、桥墩冲刷特性以及冲刷与流速相互关系对圆柱桥墩顺水流向不同布置方式的局部冲刷水力学特征进行了模型试验研究.结果表明:两排10桥墩顺水流(桥墩轴向与水流方向夹角分别为90°,60°,30°,0°)均匀布置时,桥墩轴向与流向夹角越小,流速在桥墩上下游紊动越小,对下游影响范围越大,且流速越大,冲刷深度和范围越大.顺水流布置0°夹角时,冲刷程度最小,在相同流量下,冲刷稳定历时最短;垂直布置(90°夹角)时,冲刷程度最严重,所需冲刷稳定历时最长,且随着流量的增大,桥墩墩前冲刷坑最深位置逐渐向水槽中间偏移.     

浅水圆柱绕流流动模式探讨

数值求解了二维浅水方程和RNG k-ε流模型,模拟了不同稳定性系数S和圆柱中心间距G下的单圆柱、两圆柱和三圆柱的尾流流动模式,研究了底部摩擦力对尾流结构的影响。结果表明:随着S增大,尾流在底部摩擦力的作用下趋于稳定,大尺度涡结构逐渐消失。单圆柱尾流区依次出现了涡街（VS）尾流、不稳定漩涡（UB）尾流和稳定漩涡（SB）尾流。多圆柱尾流除了受S数影响外,还与G密切相关。随着G的增大,两圆柱背后依次出现了单钝体绕流、偏转尾流和对称尾流,三圆柱背后则依次出现了单钝体绕流、偏转尾流、对称尾流和非对称尾流。此外,数值结果还表明多圆柱尾流结构不同于单圆柱,多圆柱并排使得尾流更加不稳定。