振荡流中圆柱体横流涡激振动特性数值分析

为了探究振荡流效应对涡激振动的影响,本文对振荡流中圆柱体的横流涡激振动进行了数值模拟.对数值模型进行了验证分析,对KC数为25和502种振荡流下的涡激振动进行模拟,得到了圆柱体流体力、位移和涡量云图.结果表明:振荡流能激发圆柱体的多模态振动,且KC数越大多模态特性越明显;在锁定区间主导模态的幅值明显高于其他模态;锁定区...     

腔径比对亥姆赫兹自振射流性能影响

为了提高亥姆赫兹式自振射流的工作能力,采用大涡模拟对自振射流流动特性进行研究,通过实验测试喷嘴出口压力脉动验证了数值模拟的准确性.对4种腔径比的自振喷嘴模型在3种雷诺数下的瞬态流场进行模拟,分析Q准则数下拟序结构涡的运动特性,揭示轴心速度衰减及出口断面速度分布与射流集束性及腔室能量耗散的关系,比较分析振荡幅值对射流脉冲性能的影响.结论表明,大涡模拟可以准确预测自激振荡射流瞬态流场及流动特性,亥姆赫兹腔使均匀来流变得紊乱,涡尺度增大,腔室内能量耗散增大,且腔径比对自振射流影响较大.     

离岸式振荡水柱波能装置的理论及数值研究

基于势流理论, 利用匹配特征函数展开法,求解微幅波与离岸式振荡水柱（OWC）波能转换装置相互作用的边界值问题. 借助FLUENT软件及其用户自定义函数（UDF）,建立二维完全非线性波-OWC装置数值模型. 从理论和数值上分析OWC装置吃水深度、气室宽度以及墙体厚度对波能转换效率的影响,解析解和数值结果吻合较好.依靠数值模型,模拟波高变化对OWC装置工作效率的影响. 研究表明：OWC装置吃水深度的增加会导致高效频率带宽变窄,峰值向低频区移动;墙体厚度的增加会导致高频区波能转换效率下降,但对低频区影响较小;气室宽度的增大会导致高效频率带宽变宽,峰值向低频区移动;波高的增大会导致波能转换效率下降,在共振频率附近尤为明显.     

岸式振荡水柱波能转换装置的数值模拟

针对岸式振荡水柱波能转换装置(OWC)的能量转换效率问题,采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法(HOBEM),同时在气室内引入压强模型耦合气液相互作用,建立了自由水面满足完全非线性边界条件的二维时域数值波浪水槽模型。通过数值计算研究了岸式振荡水柱波能转换装置的前墙入水深度、前墙厚度、气室宽度及入射波要素对气室内波能转换效率的影响。结果表明:岸式振荡水柱波能转换装置存在一个明显的共振区间,前墙入水深度、厚度与气室宽度的减小均会导致共振频率的增大;前墙尺寸的变化对低频区能量转换效率的影响很小,而气室宽度的变化会影响整个工作频率区间的能量转换效率。     

波流共同作用下正斜桩局部冲刷试验研究

随着大规模开发和利用海洋资源的兴起,斜桩基础凭借良好的水平承载力特性在跨海大桥、海上平台、高桩码头等海洋结构物中得到了应用广泛。在波流强烈的非线性作用下,斜桩附近会发生严重的局部冲刷,降低结构物的安全性甚至会导致破坏。为了解不同波高、流速条件下,倾斜角度对正斜桩冲刷特性的影响,并对比与垂直桩冲刷特性的差异,在波流水槽中开展波流共同作用和纯流作用下的局部冲刷试验。通过对α=0°、10°、20°、30°的正斜桩进行试验,研究了倾斜角度对冲刷历时、相对时间尺度及冲刷坑形态的影响,开展了无量纲参数Fr、KC、Ucw对正斜桩最大冲刷深度的影响分析,并与前人的垂直桩数据进行详细对比。结果表明：当桩向下游倾斜时,倾斜角度对于波流共同作用下斜桩冲刷特性有着重要的影响。与垂直桩相比,随着倾斜角度的增加,正斜桩冲刷深度发展速率、冲刷坑尺度及深度逐渐减小,相对时间尺度逐渐增大;对于20°正斜桩,最大冲刷深度点由侧前方转移至正前方的时间约为60min,远大于垂直桩;正斜桩沙丘沿中轴线对称分布、呈双峰结构,且冲刷坑形态与垂直桩明显不同;动床条件下,床面形成规则的沙波,冲刷坑尺度进一步减小,双峰更加明显,冲刷历时曲线出现小范围波动;正斜桩相对冲刷深度为无量纲参数Fr、KC、Ucw的函数,与垂直桩拟合曲线的趋势保持一致。     

数字PIV技术在圆柱振荡流中的应用

用数字粒子成像测速仪(DPIV)对圆柱体在静水中作正弦运动而产生的振荡流场进行了实测研究.通过相位锁定技术和互相关分析法,分别获得了圆柱体在一个运动周期中8个不同相位的流场速度矢量及涡量强度等值线分布.实测表明,当KC＝12,β＝200时,圆柱振荡流中将存在一个有明显周期性且很规则的斜向涡街.该涡街主要由一股较强的二次流及其两侧的非对称的涡对构成,涡街与圆柱体振动方向约成±45°夹角.文中还分析和讨论了斜向涡街的形成机理.     

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,实验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征进而提取出流动分离点,采用旋转强度的方法来识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明,在低柱体雷诺数水流条件下(ReDlt;5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡也急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000lt;ReDlt;8 000后流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当ReDgt;8 000后,流动分离点向下游移动缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,试验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征提取出流动分离点,采用旋转强度的方法识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明:在低柱体雷诺数水流条件下(Re D5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下的参数。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000Re D8 000流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当Re D8 000,流动分离点向下游缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,实验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征进而提取出流动分离点,采用旋转强度的方法来识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明,在低柱体雷诺数水流条件下(ReDlt;5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡也急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000lt;ReDlt;8 000后流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当ReDgt;8 000后,流动分离点向下游移动缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,实验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征进而提取出流动分离点,采用旋转强度的方法来识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明,在低柱体雷诺数水流条件下(ReDlt;5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡也急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000lt;ReDlt;8 000后流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当ReDgt;8 000后,流动分离点向下游移动缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

Equilibrium scour depth at offshore monopile foundation in combined waves and current

Unlike the pier scour in bridge waterways,the local scour at offshore monopile foundations should take into account the effect of wave-current combination.Under the condition of wave-current coexistence,the water-soil interfacial scouring is usually coupled with the pore-pressure dynamics inside of the seabed.The aforementioned wave/current-pile-soil coupling process was physically modeled with a specially designed flow-structure-soil interaction flume.Experimental results indicate that superimposing a current onto the waves obviously changes the pore-pressure and the flow velocity at the bed around the pile.The concomitance of horseshoe vortex and local scour hole around a monopile proves that the horseshoe vortex is one of the main controlling mechanisms for scouring development under the combined waves and current.Based on similarity analyses,an average-velocity based Froude number(Fra)is proposed to correlate with the equilibrium scour depth(S/D)at offshore monopile foundation in the combined waves and current.An empirical expression for the correlation between S/D and Fra is given for predicting equilibrium scour depth,which may provide a guide for offshore engineering practice.     

带襟翼的机翼尾涡合并数值计算

为获得带有襟翼的机翼尾涡的合并动力学过程,在验证数值方法的基础上,数值模拟带有襟翼的机翼绕流尾流场,根据涡合并特征将合并过程划分为诱导共转阶段、合并阶段和轴对称化阶段.采用涡间距量纲—化尾流区域描述二涡诱导合并.变换弦长雷诺数、襟翼翼梢与机翼翼梢的间距、襟翼角度,改变襟翼翼梢涡与机翼翼梢涡的强度比,得到尾涡合并差异的特征.计算结果表明:随着雷诺数的增加涡的强度增加,涡量的扩散程度减低,涡合并过程被推迟,空间诱导运动过程得到延长,涡系空间诱导运动增强,涡合并的雷诺数效应随着雷诺数增加而减弱,缩短涡间距,加速涡合并过程,但合并后的远场涡尺寸和形态没有显著改变;襟翼涡随着襟翼角的减小而减弱,强度逐渐减弱的襟翼涡逐步被翼梢涡拉伸卷吸,微弱的襟翼涡系在近场中的合并过程完全改变,翼梢涡的运动轨迹并未受到诱导运动.翼梢涡合并的雷诺数效应表现为诱导运动过程的增强,尾流中强度小的涡系起不到明显的诱导作用.     

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。     

Numerical simulation of flow interference between four cylinders in in-line square arrangement

In the present paper,two-and three-dimensional numerical simulations of the flow interference between four cylinders in an in-line square arrangement at Re = 200 are performed.Assisted with the two-dimensional(2-D) numerical simulation,the mean and fluctuating forces,Strouhal number(St) and vortex shedding pattern in the wake for each cylinder were analyzed with the spacing ratio(L /D) ranging from 1.5 to 6.0.It was found that,four different vortex modes(viz.,flip-flopping,shielding anti-phase-synchronized,in-phasesynchronized and anti-phase-synchronized) gradually appear with the increase of the L/D ratio.The average drag coefficient of the upstream cylinders is larger than that of the downstream cylinders,while the downstream cylinders usually undergo serious fluctuating forces.When the L/D ratio ranges from 3.0 to 4.0,the dominant frequency of the drag coefficient is equal to the value of St of upstream cylinders.This indicates that a simultaneous resonance in the in-flow and cross-flow directions may occur for some single structures of a multi-body oscillating system.For the 3-D numerical simulation,the L/D and aspect ratios are kept constant as 5.0 and 10,respectively.It was found that some vortices are formed in the wake of the upstream cylinders.Besides,with the same spacing ratio,the calculated drag coefficient and lift coefficient fluctuation are slightly larger than the 2-D results,but with a phase difference.     

应用PIV系统研究横流中水平方柱绕流旋涡特征

利用PIV系统对二维水平方柱绕流的旋涡特性进行了试验研究,得到了来流雷诺数为796-9 556、不同间隙比(G=3.0,1.0,0.2)时方柱绕流瞬时流场分布.根据这些数据,分析了方柱绕流流场中旋涡发展和演化规律,比较了瞬时流场和时均流场中旋涡结构特征,给出了不同工况下分离区长度L及斯特罗哈数St与雷诺数的关系.     

非线性波作用下潜堤周围的流体分离与涡流结构

采用粒子图像测速技术(PIV)和基于雷诺时均纳维尔–斯托克斯方程(RANS)的数值模型研究了斯托克斯2阶波作用下抛石基床矩型潜堤周围的流体分离与涡流结构.越堤前后试验波面发生了非线性变形,迎浪面波形的不对称度和偏度分别为–0.21和0.04,波面前倾,背浪面波形的不对称度和偏度分别为–0.39和0.99,相对于垂直轴和...     

近海岸桥梁下部结构波浪力分析

采用雷诺时均Navier-Stokes（RANS）方程和标准k-ε湍流模型建立波浪水槽,分别针对波浪只作用于下部桩基和波浪作用于整个下部组合结构2种工况,模拟分析波浪特性对波浪力的影响.结果表明：波浪入射角为0°时,近岸条件下各桩柱受力大于平床,且前排桩柱受力随桩间距的增加而增加,后排桩柱受力随桩间距的增加而减小;群桩整体受力随波浪KC数和波高比成幂指数规律增加.桥梁下部组合结构整体所受波浪力随波浪入射方向变化较小,随KC数和波高比变化较大,最大增幅为704%;由于桥梁下部组合结构阻水宽度沿垂向变化显著,与KC数相比,波高比能更好地反映波浪特性对桥梁下部组合结构整体受力的影响.     

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。     

名山桥局部冲刷二维数值计算分析和防护研究

拟建的名山桥位于缙云好溪河流,根据模型验证的需要经及现有的好溪水文资料,利用二维河流数学模型和经验公式对桥墩局部冲刷进行了对比计算和分析,对桥梁墩台防护的措施及其降低水流流速,干扰水流的紊动,减少马蹄形旋涡强度,降低水流的冲刷能力的水动力特性进行了分析．为工程设计和管理提供了依据．     

仿海豹胡须阵列检测水中运动目标尾流特征

为检测水中运动目标的尾流特征,获取运动目标运动轨迹方向、几何尺寸等参数信息,通过模仿海豹使用胡须探测猎物的机理,提出了一种仿海豹胡须的尾流探测方法。首先,用3D打印技术制作了与海豹胡须形态相似的胡须模型,并结合压阻元件等材料制作了可感知水中运动目标尾流的传感器阵列。其次,设计尾流检测实验方案,并对0.5、1.0、1.5 m/s的均匀来流及具有微小波动的非均匀流场情况进行仿真分析,获取不同流场情况下的尾流速度场分布,分析S₁₁的升力系数及频谱分布,并与理论计算得到的尾流漩涡脱落频率进行对比,验证实验方案的有效性。最后,在实验室条件下,采用该传感器阵列实现了对被测目标尾流特征的测量,并分析了仿海豹胡须夹角对尾流检测的影响。结果表明：在不同来流情况下,胡须模型升力系数波动较明显,经快速傅里叶变换获得的主频与尾流漩涡脱落频率理论值一致性较好;在尾流区内传感器探测尾流信号的平均电压值是非尾流区的3倍以上,由此可准确识别出尾流区和非尾流区。在此基础上,对平均电压值衰减的梯度方向进行分析,实现了对被测目标运动轨迹方向的估算。该传感器阵列测得尾流信号的最大响应频率接近数值仿真的主...