旋转圆柱绕流的动力模态分析

圆柱旋转对绕流尾迹影响显著,应用粒子图像测速仪(PIV)对不同旋转速度比的旋转圆柱绕流进行实验研究.获得了高时空分辨率的圆柱尾迹的瞬时速度矢量场发展演化的时间序列样本.实验中圆柱的转速比由0至5.0逐渐增加,来流雷诺数为Re=1 000.使用动力模态分解(DMD)提取不同转速比下的速度场的各阶模态,研究不同转速比对圆柱尾迹结构形态的影响.通过分析DMD结果发现,随着转速比增加,涡旋周期性脱落减弱,尾迹偏向圆柱旋转的方向;另外圆柱的旋转可改变圆柱涡旋脱落频率,转速比在0至2.0范围时,涡旋脱落频率有逐渐增大的趋势;当转速比为3.0时,发现了旋转圆柱与尾流结构共振表现出低频涡结构特性,对相关工程领域避免事故的发生具有重要的指导意义.     

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。     

绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性

为深入了解通气两相流的流场结构及水动力特性,在循环水洞中利用高速全流场显示技术及六分力天平测量技术,对绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性进行实验研究.结果表明:弹身区域流场呈均匀分布的水气两相混合状态,流动稳定,非定常特性不明显;尾部区域流场较为紊乱,非定常特性明显,尾部空泡涡的周期性脱落引起模型阻力系数出现周期性脉动现象.绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性与雷诺数及通气率有关.通气率的增加可降低由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度,而对尾部涡的脱落频率无明显影响;随着雷诺数的增加,由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度减小,尾部涡的脱落频率增加.     

串列双圆球的流场转捩研究

本文对虚拟边界法加以改善并推广到三维多连通区域的数值模拟上去,研究了不同雷诺数下串列双圆球的流场转捩现象.结果显示小间距比串列双圆球绕流场的第一分叉点位于雷诺数150～175,第二分叉点位于雷诺数225～250.大间距比绕流场的第一分叉点位于雷诺数170～200.转捩点的位置与单圆球绕流相比有不同程度的提前.给出了切面内流态沿流向的发展变化,捕捉到极限环现象,发现下游尾流场的涡结构分别脱落自下游圆球的上表面和下表面,两个来源处的涡脱频率为倍频的关系,随着雷诺数的增加存在频率竞争和占优频率交替的现象.     

基于POD方法的二维方柱低雷诺数绕流流场分析研究

以二维方柱低雷诺数绕流为研究对象,在非定常数值模拟结果的基础上,首先应用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法得到特征区域流场的低阶模型,获取POD基函数及时间系数分布规律;其次以POD的低阶模型为基础,实现了对非定常物理场的重构。研究结果表明:1应用文中的数值分析手段,捕捉到了方柱绕流非定常流动特征,且与公开文献结果吻合较好。2对于文中的研究对象,前4阶POD模态所占波动总能量99.4%,可以用于较准确描述其非定常流场特征;3各阶POD模态的时间系数之间都有明确的频率与相位关系,其中能量最大的第一对POD模态对方柱尾迹流动的波动频率和幅值起决定作用。4在所研究的雷诺数下,前4阶POD模态就可以很好地重构流场,这对以后低阶模型的建立有一定的指导意义。     

非定常不稳定气固两相流动的离散涡数值仿真Ⅲ.非定常不稳定气固两相流动中颗粒运动与旋涡的相关结构

基于气固两相流动的离散涡模型与数值仿真方法,分别模拟了与重力方向垂直和与重力方向平行的平面内气固两相圆柱绕流(其中颗粒的St数为1.0),得到了流场中颗粒分布与旋涡分布的时间序列,由此进一步证明了高雷诺数下的二维气固两相流动中固体颗粒运动与流体旋涡存在着明确的相关结构:气体流经圆柱体时产生不稳定的剧烈分离流动,在圆柱绕流的尾迹区内存在着复杂的旋涡发展演化过程,由于流体旋涡对其周围固体颗粒的诱导作用,使得在尾迹区内中等尺度(St～o(1.0))的固体颗粒从均匀气固混合物中分离出来而往旋涡区运动,并最终在旋涡结构的外沿聚集.     

非定常不稳定气固两相流动的离散涡数值仿真Ⅲ．非定常不稳定气固两相流动中颗粒运动与旋涡的相关结构

基于气固两相流动的离散涡模型与数值仿真方法，分别模拟了与重力方向垂直和与重力方向平行的平面内气固两相圆柱绕流（其中颗粒的St数为1.0），得到了流场中颗粒分布与旋涡分布的时间序列，由此进一步证明了高雷诺数下的二维气固两相流动中固体颗粒运动与流体旋涡存在着明确的相关结构：气体流经圆柱体时产生不稳定的剧烈分离流动，在圆柱绕流的尾迹区内存在着复杂的旋涡发展演化过程，由于流体旋涡对其周围固体颗粒的诱导作用，使得在尾迹区内中等尺度（St-0(1.0)的固体颗粒从均匀气固混合物中分离出来而往旋涡区运动，并最终在旋涡结构的外沿聚集。     

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。     

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.     

基于气体动理学格式的平板绕流数值模拟

介绍了基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）模型的气体动理学格式Gas Kinetic Scheme（GKS）数值算法。给出了平板绕流的物理模型以及边界的处理方式,同时进行了算法准确性验证。对不同雷诺数条件下的单平板绕流进行数值模拟,随雷诺数的增大,涡不断被拉长,逐渐失去对称性,形成卡门涡街;对Re=300的前后平板绕流,当板间距较小时流场处于对称尾流区,没有涡的脱落,当板间距较大时会形成卡门涡街;对Re=300的上下平板绕流,当板间距较小时流场特征与单平板绕流相似,当板间距较大时会形成两列涡,在下游较远处开始逐渐合并。     

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.     

基于层流假设的三角翼大迎角绕流特性数值模拟研究

三角翼大迎角绕流数值模拟的计算网格,需根据流动现象,对网格拓扑结构和网格点分布进行选择与搭配.C-H型网格适宜模拟尖前缘分离涡流态,物面、空间及尾迹区网格的处理是捕捉流场细节的关键.Euler方程具有模拟三角翼旋涡及预测涡破裂特性的能力,但对二次涡等粘性引起的流动细节把握能力不足.采用层流假设的N-S方程,通过合适的网格生成方法,可得到满意的计算结果,但对涡破裂后强烈的非定常湍流流动模拟能力不足.采用旋涡螺旋度可准确反映主涡与二次涡流动,描述旋涡的破裂现象.用轴向速度迅速减小并小于来流速度的点作为涡破裂判据似应更合理.     

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".     

旋翼机对降落伞工作性能的影响

为研究旋翼机对降落伞工作性能的非定常影响,建立一套适用于旋翼机伞降系统非定常复合流场的数值模拟方法。首先,采用PISO（pressure implicit split operator）算法和Reliazable k-ε湍流模型,以提高瞬态计算效率和粘性计算精度,准确捕捉流场尾涡细节变化。其次,建立了高效的动态网格更新模型,结合Diffusion Smoothing和Remeshing两种网格更新方法,对不同变形尺度的网格进行分类处理.在此基础上,研究了旋翼扰动下物伞系统的非定常尾流特征和降落伞气动特性的变化。 结果表明:旋翼转动使前体尾流区长度增加,尾流对降落伞影响增强,伞衣入口的流场结构呈不对称分布;前体尾部负涡量区逐渐上移,与伞衣入口的负涡量区相连通,促进了伞衣尾涡的脱离,伞衣尾流区的旋涡数量明显增加;另一方面,旋翼转动扰乱了前体表面的涡流分布,形成旋转涡流区,前体尾流中的脱落涡流区范围变小,受涡量黏性耗散的影响,进入伞衣的旋涡强度减弱.随着旋翼转速增加,伞衣外侧压力不变,内侧压力和压强系数均逐渐减小,内外压差减小,降落伞的平均阻力系数逐渐减小。     

两种管径比的绕流热柱体旋涡信号比较

在考虑壁面热效应的情况下,当雷诺数为0.6×104~5.0×104,分别对管径比为0.4和0.24两种工况下的柱体尾迹旋涡脱落的流动情况进行实验.结果表明:加热使得旋涡流动发生明显变化,其影响表现在旋涡脱落信号傅里叶变换峰值的改变上;这种影响随雷诺数的变化有一临界值ReL,加热在ReL两侧对旋涡所起作用相反,并且ReL随管径比的不同而不同.通过对不同管径比工况的分析比较,发现同等加热强度下小管径比的壁面热效应对旋涡流动影响更明显.     

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.     

激光—超声旋涡测量方法研究

激光－超声方法是通过测量由流动引起的超声脉冲信号在两束或更多来激光之间传递的时间差实现旋涡场测量的。该方法的一个显著特点是无需在流场中注入粒子,可以对流场中任何一点（包括涡核处）进行准确测量。适合研究旋涡的破裂和稳定性问题,获得有关旋涡场的速度、涡量及环量分布。对函道风扇流场的测量结果表明,该方法可以准确获得流场的速度分布,给出流场的旋转结构。     

扇形流道内Stokes流动特性的数值模拟

针对低雷诺数下外壁旋转的扇形截面流道内的流动特性进行数值模拟,得到不同扇形角度下的速度、涡量及流函数的分布规律.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;随着扇形角度的减小,流道内会出现多个涡流区域,各涡流区域内的速度场、涡量场及流函数均具有自相似性,说明外壁旋转的扇形流道内的流体具有混沌运动特征;雷诺数相同的情况下,流道内的涡量随着扇形角度的减小而增大,表明小角度扇形截面流道有利于流体的混合.     

厚壁面湍流边界层对圆柱脱涡影响的实验研究

在风洞中,用热线风速仪和压力传感器进行嵌入湍流边界层内的圆柱脱涡实验研究.测量了尾涡脱落频率和平板表面压强脉动,目的是分析当圆柱嵌入空气湍流边界层的情况下,间隙比值对尾涡脱落频率及壁脉动压强的影响.实验结果得到了尾涡无量纲频率S t随间隙比及雷诺数的变化情况,壁脉动压强周期性成分的变化规律,还得到了在一定雷诺数下,圆柱对边界层速度的影响范围,为今后的工作和研究提供了实验依据.     

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。