特征线算子分裂有限元的圆柱绕流大涡模拟

为研究圆柱绕流流场特性,将大涡模拟与特征线算子分裂有限元相结合,建立了大涡模拟特征线算子分裂有限元模型,对单圆柱和串列双圆柱绕流问题进行了数值模拟,所得结果与现有研究结果吻合较好。模拟结果表明:对单圆柱绕流,随着雷诺数的增大,圆柱近尾流区上下交替的涡旋逐渐靠近通过圆柱几何中心的水平线,且涡脱落位置逐渐靠近圆柱。对Re=1 000的串列双圆柱绕流,临界间距在圆柱直径的2.25~2.5倍之间;当两圆柱间距小于临界间距时,上游圆柱后方无明显涡旋脱落,间隙处压力较稳定;大于临界间距时,有涡旋脱落,上游圆柱尾流区上下表面交替出现强负压区。     

基于粒子图像测速技术的明渠圆柱上游行近流特征研究

现有实验测量和数值模拟方法难以准确捕获近水面流动特征,为全面掌握墩柱上游行近来流的内部结构和水面特征,通过明渠圆柱绕流试验,采用粒子图像测速技术对柱体上游的对称垂面进行了测量,获得了行近来流的瞬时二维流场和水面线。在此基础上,对圆柱上游的时均流动和壅水特征进行了研究,得出上游行近来流从水面至床面依次由上升流、近水平流和下降流构成,形成典型的三层结构,其中,上升流厚度随柱体雷诺数增加而变厚,下降流无量纲厚度基本不随柱体雷诺数改变。在靠近柱体的床面附近,边界层与床面分离,分离区内为向上游流动的逆流以及一个马蹄涡和一个次生涡;在靠近柱体的水面附近存在表层逆流以及两个逆向涡。研究结果揭示出边界层分离、表层逆流及柱体本身依次促使行近来流减速,使得沿程水深雍高,壅水末端至圆柱迎水面的水面线符合一元四次函数分布,无量纲壅水长度随着柱体雷诺数的增加而延长。研究成果可作为基于流体体积法等具有自由水面计算能力的明渠墩柱绕流数学模型的验证依据。     

淹没与非淹没植被作用下复式河槽流速最大值分布

本文收集了不同系列的淹没与非淹没植被作用下复式河槽的流速资料并对复式河槽中流速最大值的横向分布进行了探讨。结果发现滩地流速最大值基本保持在水面附近而主槽中的流速最大值都在水面以下;当滩地种有非淹没植被时;主槽中的流速最大值分布与无植被时几乎一致,滩地流速最大值在植被密度较小时仍在水面,但当植被密度较大时,最大值会向床面靠近;当滩地种植淹没植被时,流速最大值的位置会随着植被淹没度的增加而逐渐上升,最终保持在水面附近。     

绕圆柱非定常周期性涡旋脱落的数值模拟

利用非定常流函数涡量方程数值模拟圆柱突然起动尾流涡旋的形成及周期性脱落过程。对求解的流函数的一阶导数即速度项采用四阶精度的Hermitian公式，而方程的对流项则采用四阶精度的差分格式，并利用ADI方法迭代求解差分方程组。当雷诺数Re不大于40时，圆柱尾流为附体的两个对称涡，为定常解。当Re大于40后流动为非定常及非对称的，圆柱尾流呈现周期性涡旋交替脱落而形成著名的Karman涡街。选择Re=100为例，在初始条件未加任何扰动情况下，成功地模拟了圆柱非定常涡旋形成与脱落的完整过程（无量纲时间算到t=250及以上）。所计算的阻力系数与实验结果及其它数值方法的计算结果一致。约在t=200形成严格的Karman涡街。对涡量方程ADI求解方法的稳定性进行了分析。对流项采用四阶精度差分格式，若应用于定常问题，将极大提高数值求解的精度，若应用于非定常问题的求解，将对求解精度有所改善，其中时间空间两阶混合偏导数的处理是关键，有待进一步的数值实验。     

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。     

流体中相互靠近两圆柱的水动力特性数值研究

该文采用基于动态网格技术的CFD数值方法,对黏性流体中两物体相互靠近时的水动力特性进行了研究。首先对比分析了无黏流场和黏性流场中圆柱的受力特性,然后分析了不同间隙比、不同靠近速度、不同背景流场下黏性流场中圆柱的受力特性。数值模拟结果表明:当来流速度为零时,阻力系数随着间隙比的减小而增大,随靠近速度的增大而增大;当来流速度不为零时,阻力系数随着来流速度的增大而增大;当来流速度与靠近速度之比较大时,圆柱受力出现较为明显的振荡。     

浅水区孤立墩上的非线性波浪力

本文基于一阶近似椭圆余弦波理论研究了浅水区非线性波浪对圆柱墩的绕射作用,推得了计算绕射后圆柱墩周围的水面方程,从而得到墩柱面上波面的壅高值。文中也推导了作用于圆柱墩上的波浪力计算公式,并对工程中常遇到的波浪范围进行了计算,得到了非线性波浪力与线性波浪力的比值,并制成图供设计参考。     

基于IB-LBM的圆柱尾流与壁面湍流之间的涡旋相互作用

该文使用IB-LBM研究了二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用。在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡。边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构。尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失。最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层。在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k~(-3),其表示涡度拟能向小尺度移动;在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k~(-5/3),这意味着能量向大尺度移动。     

涌潮作用下丁坝附近水流运动特性的数值模拟研究

采用压力隐式算子分割法(PISO)求解雷诺时均方程和RNGκ-ε紊流模型,建立了描述涌潮作用下丁坝附近水流运动规律的数学模型。水流的控制方程采用有限体积法离散,物理变量采用交错网格布置,自由表面应用流体体积(VOF)法追踪。该数学模型得到实测资料的验证后,数值模拟了钱塘江涌潮作用下丁坝附近的流场、自由水面、涌潮变形和涌潮压力的变化规律等。结果表明:丁坝附近水力特性受涌潮影响较大,来潮初始,丁坝附近紊动强烈,流场和自由水面变化很大;丁坝上涌潮压力急剧增大,且丁坝不同高程处的压力几乎都在同一时刻达到其最大值。     

孤立波作用下破碎区单圆柱附近流动特性数值研究

为了合理分析孤立波作用下破碎区单圆柱附近的水流结构以及圆柱受力特性,该文利用OpenFOAM开源程序求解基于Navier-Stokes方程的三维数值模型,该模型采用S-A IDDES湍流模型,使用修正的VOF方法捕捉自由液面。研究发现,该数值模型能合理捕捉到孤立波与圆柱相互作用过程中复杂的液面形态变化;圆柱附近自由液面沿柱面呈三维分布,上爬过程的柱前雍高显著大于回落过程的柱后雍高;回落过程中柱前形成的尾涡在强度和范围上大于上爬过程中柱后形成的尾涡;圆柱表面的动水压强随水深的增长呈近似线性增长,最大值位于上爬过程中最大雍高时刻的迎浪点位置;圆柱所受的波浪力与柱面附近自由液面雍高历时相符,且上爬过程圆柱受到的波浪力明显大于回落过程。     

城市对称街道峡谷气流及污染物扩散特征的研究

与风洞实验的对比表明数值模拟能较好地预测街道峡谷浓度场。研究了宽、窄两种峡谷（高宽比范围为0．17～3．25）的内部流场和浓度场。表明：当高宽比大于1时,随着高宽比的增加,峡谷内旋涡数逐渐增多,污染物浓度也随着旋涡的变化而变化;当高宽比小于1时,峡谷内由一个旋涡演变为两个方向相反的旋涡,随着高度的进一步减小,两个旋涡开始左右分离,其浓度也随着旋涡的变化而变化。当旋涡为顺时针时,使得背风面污染物浓度出现显著上升的趋势,而当旋涡为逆时针时,会使得迎风面的污染物浓度出现显著上升的趋势。总体看来,随着建筑物高度的增加,污染物难以扩散,从而使峡谷近地面处的污染物浓度增大。     

FORCE REDUCTION OF FLOW AROUND A SINUSOIDAL WAVY CYLINDER

A large eddy simulation of cross-flow around a sinusoidal wavy cylinder at Re=3000 was performed and the load cell measurement was introduced for the validation test. The mean flow field and the near wake flow structures were presented and compared with those for a circular cylinder at the same Reynolds number. The mean drag coefficient for the wavy cylinder is smaller than that for a corresponding circular cylinder due to the formation of a longer wake vortex generated by the wavy cylinder. The fluctuating lift coefficient of the wavy cylinder is also greatly reduced. This kind of wavy surface leads to the formation of 3-D free shear layers which are more stable than purely 2-D free shear layers. Such free shear layers only roll up into mature vortices at further downstream position and significantly modify the near wake structures and the pressure distributions around the wavy cylinder. Moreover, the simulations in laminar flow condition were also performed to investigate the effect of Reynolds number on force reduction control.     

EXPERIMENTAL STUDY OF FLOW STRUCTURE BEHIND A CIRCULAR CYLINDER WITH WAVY SURFACE BY PIV

1. INTRODUCTIONThe flow around a s mooth circular cylinderhas been extensively studied by many researchers ,as can be seen fromthe comprehensive reviews ofWilliamson[1]and Rockwell[2]. Wang et al .[3]in-vestigated the 3D flow structure behind a circularcy…     

Studies on the oscillation behavior of a flexible plate in the wake of a D-cylinder

This paper studies the oscillation behavior of a flexible plate in the wake of a D-section cylinder. The interaction between the flexible body and its surrounding vortices is investigated. A modified immersed boundary method is used to solve the motion of fluid, integrated with a linearized Euler-Bernoulli beam model to govern the motion of the flexible plate. Results show that, when the distance between cylinder and plate is small, the surface of the plate is surrounded by vortices layers and the plate oscillates periodically, with amplitude similar to the cylinder movement. However, if the distance becomes large, we find that the vortices are shed from the D-cylinder in front of the plate, and the incoming vortices make the plate oscillate with large amplitude at the beginning and then slant laterally. Also, the amplitude becomes smaller compared to the case of the small distance.

     

同轴套管间涡旋流动及强化传热数值模拟

相对旋转两同轴套管间的涡旋流动,能够带来二次流强化传热传质作用,在航空、水处理、生态保护、生物工程和膜分离等领域都具有广泛的应用价值。本文使用Fluent软件,对同轴套管间涡旋流动及传热特性进行数值模拟,考察了内管转速、内外管壁面温差等操作参数变化对同轴套管间流体传热性能的影响,分析了涡旋流动与传热效率之间的关联关系。模拟结果表明:内管转速增加在流场中形成泰勒涡,涡流扰动增大了高温壁面与流体间的热流密度,增强了流体传热效率。增大内外管壁面温差,也可加强流体传热性能,但其强化作用不及内管转速的强化作用显著。受流场中泰勒涡影响,流体速度、温度及热流密度沿轴向的分布都呈正弦状周期性波动,在相邻两涡交界面处,流体传热性能最好,在涡中心处的传热性能最差。     

Hydrodynamics of a flapping foil in the wake of a D-section cylinder

The water environment of swimming fish in nature is always complex which includes various vortices and fluctuations.In order to study the interaction between the fish and its surrounding complex flow, the physical model with a D-section cylinder placed at the front of a flapping foil is employed.The D-section cylinder is used to produce vortices to contact with the foil as well as the vortices shed from the foil.According to the experimental work of Gopalkrishnan et al., there are three interaction modes between vortices shed from the cylinder and the flapping foil,which are expanding wake, destructive interaction and constructive interaction.Here in this article,three of those typical cases are picked up to reproduce the vortices interaction modes with the modified immersed boundary methods and their hydrodynamic performances are studied further.Results show that, for expanding wake mode and destructive interaction mode, the incoming vortices contact with the foil strongly, inducing relative low pressure domains at the leading-edge of the foil and enlarging the thrust of foils.For constructive mode, the foil slalom between the shed vortices from the D-section cylinder do not contact with them obviously and the foil’s thrust is only enlarged a little.     

定常流对近水面物体辐射问题的影响

本文研究了定常流对近水面物体辐射问题的影响，对于近水面物体，物体对自由表面的扰动已不再为小量，因此，在自由表面条件中必须考虑流动非均匀性的影响，利用内，外场匹配的方法，给出了求解流动非均匀性对辐射问题影响的新方法，利用本文提出了内，外场匹配法，对近水面圆柱的辐射问题做了大量的数值研究，计算结果表明，当圆柱的相对淹没深度ｄ／Ｒ〈２．０时，定常流的局部非均匀性的影响是不容忽视的，本文提出的方法可直接推     

受控振动柱体对波浪影响的数值模拟研究

以不可压缩黏性流体的Navier-Stokes方程为控制方程,采用RNG k-ε湍流模型,利用VOF方法追踪运动的自由表面的方法,建立了三维数值波浪与振动柱体相互作用的模型.基于经典绕射理论验证了波浪绕固定柱体传播的数值模型的可靠性,再采用动边界技术赋予柱体振动规律,研究受控振动柱体对波浪传播的影响,并通过控制柱体初始振动相位变化,系统地给出了在柱体振动的不同初始相位下柱体前后波浪变化的规律.     

Free-surface flow past a submerged cylinder

This study employs a Lagrangian frame numerical method to investigate two-dimensional free-surface flow induced by a submerged moving cylinder. This method combines the advantages of vortex methods and boundary integral methods, and is capable of capturing the complex motion of free surface and vortices. A series of computations are performed to investigate the effects of Froude number, the depth of submergence and still water depth on the flow motion. Free surface deformation, wake vortex and hydrodynamic forces are studied.