高超临界雷诺数下圆柱绕流的数值计算

在常规风速下,许多圆截面工程结构的雷诺数一般达到107或以上,处于高超临界雷诺数区域。目前高超临界雷诺数下圆柱绕流的研究很少。鉴于此,针对直径为5 m的单圆柱,尝试进行了高超临界雷诺数下的风荷载数值计算,分别开展了计算域、周向网格数、法向首层网格的高度及计算时间步长等参数的无关性检查,得到了圆柱的阻力系数及圆柱周围的流场分布。     

斜拉索表面粗糙度对干索驰振的影响

新服役的斜拉索表面由一层较为光滑的聚乙烯材料包裹,但随着服役时间的增长,受风化和灰尘粘附等原因的影响,使斜拉索表面粗糙度变大。斜拉索粗糙度的改变对其气动稳定性的影响如何,是该文重点研究的问题。该文通过包裹不同工业砂纸的方式来改变斜拉索表面的粗糙度,利用SJ-410表面粗糙度测量仪测试了这些模型的粗糙度,通过自由振动风洞试验,研究了表面粗糙度对高雷诺数下斜拉索振动的影响,结果表明:表面粗糙度的增大对斜拉索的振动具有抑制作用;随着斜拉索模型表面粗糙度的增加,雷诺数效应减弱,临界雷诺数减小。     

表面粗糙度对导线风荷载及涡激振动的影响

输电导线的截面形状对导线的气动力特性有重要影响,其风压占整个输电线路风压的50%~70%。采用基于RANS的SST k-ω湍流模型,对真实粗糙截面和光滑截面导线的气动特性及横向涡激振动进行数值分析,并和试验进行了对比。利用ICEM对流体计算域进行结构化网格划分,采用动网格和滑移网格模型,将计算结构响应的Newmark-β通过UDF代码嵌入FLUENT软件,建立2D圆柱横流向涡激振动的计算模型;通过改变折减风速和雷诺数,研究均匀来流高雷诺数下输电导线的气动力和振动特性。结果表明,考虑导线表面粗糙度后,固定导线的气动力以及斯托劳哈尔数有所降低;导线涡激振动的"锁定"区的范围变广,振动幅值变大;当折减风速为5.766时,粗糙截面涡激振动的峰值振幅达到0.9D;导线的气动力以及涡脱模式也出现较大变化,即导线表面粗糙度对导线的气动特性影响较大。     

不同压力差下微通道尺寸和表面粗糙度对摩擦系数的影响

该文数值模拟液体在圆形和梯形截面微通道内的流动,分析了层流和湍流下液体在微圆管内的流动状态。着重研究不同压力差、微通道尺寸和表面粗糙度下,液体在微通道内的流动摩擦系数,并通过摩擦系数随雷诺数的变化曲线推断微通道流动转捩的雷诺数范围。研究表明:微通道中流动的摩擦系数随雷诺数的增大逐渐减小;通道截面的当量直径会改变过渡状态存在的雷诺数范围;粗糙度会影响湍流状态下流动的摩擦系数,相同雷诺数下,粗糙度越大,摩擦系数越大。     

临界雷诺数区光滑圆柱振动与气动力研究

临界雷诺数区气动力特性是影响细长圆柱结构大幅振动的重要因素之一。该文通过刚性模型测压风洞试验,对临界雷诺数区光滑圆柱动态气动力分布特性及对临界区圆柱发生大幅振动的原因进行了分析。研究结果表明:圆柱在临界雷诺数区会发生大幅振动,当振动发生时,圆柱沿展向的气动力状态有一定的差异,这种气动力状态的差异说明气动力的非定常特性是引起大幅振动的主要原因。     

不同粗糙度斜拉索气动力特性和风荷载计算方法研究

大跨径斜拉桥斜拉索上的风荷载对主梁的位移和内力的贡献占全桥的主要部分,准确掌握斜拉索上的风荷载,对于桥梁的抗风设计具有重要的意义。通过风洞试验,得到了8种具有不同表面粗糙度斜拉索的气动力系数随雷诺数的变化规律,研究了粗糙度对斜拉索雷诺数效应和气动力特性的影响,以实桥为例分析了斜拉索最大风荷载的计算方法。结果表明:斜拉索表面的粗糙度对气动力具有明显的影响,随着粗糙度的增大,雷诺数效应随之减弱;不同粗糙度的斜拉索,最大风荷载对应的风速不同,计算方法也不同,实桥设计时应根据斜拉索的具体表面粗糙状态确定其最大风荷载的数值。     

旋转圆柱气动特性的雷诺数效应研究EI北大核心CSCD

流体流过旋转圆柱形成的不对称流场会在圆柱上产生侧向流致力(升力),这种流致力在航海和风能利用方面有很广的应用前景,旋转圆柱气动力特性的研究对这些应用有重要的意义。通过测量旋转圆柱体在不同转速和风速下的气动力和尾流场,讨论了不同雷诺数范围旋转圆柱的气动特性。结果表明雷诺数是影响旋转圆柱气动力的重要因素:亚临界区旋转圆柱的侧向力主要体现为马格努斯效应,升力指向切向速度与风速相同一侧,随着转速比的增大而增大;在临界区,圆柱的转动会诱发流体在切向速度与风速相反一侧形成再附现象,形成指向该侧的升力,随着转速的提高,升力不会发生明显变化。此外,雷诺数效应会受到转速的影响:随着转速提高,发生阻力损失的雷诺数会变小,出现再附现象的雷诺数范围变大。     

C型环对细长圆柱减阻抑振效果的试验研究

长细比较大的圆柱结构易发生涡激振动从而引发结构安全问题,而阻力小的气动抑振措施是解决该问题的 理想手段之一。为此,开展了一种C型减阻抑振环风洞试验,研究了不同直径和圆心角的C型环对不同雷诺数下的 圆柱气动力的影响,并通过圆柱表面的风压分布揭示了C型环的减阻抑振机理。研究结果表明,通过减弱背风面的 负压C型环可以有效减小亚临界雷诺数区圆柱的阻力,而且通过对尾流的干扰可有效抑制旋涡脱落。     

速度剪切流中圆柱体绕流特性的数值模拟

采用由速度梯度、圆柱半径以及圆柱中心平面上的来流平均速度定义的无量纲剪切参数β来描述速度剪切的强度。在雷诺数Re=60-1000范围内,运用三维直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)两种方法对速度剪切流中的圆柱体的绕流特性进行了数值模拟。研究了驻点、高速和低速两侧分离点、圆柱表面压力分布以及不稳定尾流结构随剪切参数的变化及其对雷诺数的依赖性,从而得到了剪切流中圆柱体的气动力以及脱落特性,并对其机理进行了详细探讨。     

不同雷诺数下圆柱绕流气动噪声数值模拟

基于大涡模拟和声类比相结合的混合方法对不同雷诺数下二维圆柱绕流的远场气动噪声进行预测.预测值与试验数据吻合良好.根据预测结果分析圆柱绕流气动噪声的声场特性,研究流场振荡规律对远场噪声的影响和圆柱绕流气动噪声的辐射特性,并寻找降低圆柱绕流气动噪声的途径.结果表明:随着雷诺数的增加,远场各测量点的总声压级增大;声场的最大声...     

直径30cm圆柱的气动力参数和绕流特性研究

为研究光滑圆柱的气动力系数和绕流特性,在均匀流中进行不同风速下的测压风洞试验,试验获得了阻力系数、升力系数、表面风压分布、风压相关性系数、斯托罗哈数等随雷诺数的变化特征,并将试验结果与以往结果进行比较。研究表明:升力系数的脉动值大于阻力系数的脉动值,说明涡脱造成的横风向激励比顺风向紊流激励剧烈;雷诺数位于临界区域时,圆柱表面风压分布呈现出对称-不对称-对称的变化过程,反映了由层流分离转化为湍流分离的全过程;在雷诺数为352000时呈现一侧为层流分离、另一侧为湍流分离的临界流态,风压呈现出左右不对称的单边泡形式;获得层流分离和湍流分离时的表面风压相关性分布特征,层流分离时圆柱同一侧的风压测点均呈较强的正相关,而湍流分离时在分离点前的区域相关性较强,分离点之后的区域相关性较弱;层流分离的升力系数谱有显著的峰值,表明尾流是规则的漩涡脱落,而湍流分离的升力系数谱没有明显峰值,表明尾流是随机的漩涡脱落。     

缆索承重桥并列索平均气动性能的雷诺数效应

近距离并列吊索和并列斜拉索在大跨度缆索承重桥中有广泛的应用,但目前在计算并列索静力风荷载时只考虑顺风向阻力的影响,没有考虑因尾流干扰所产生的横风向升力的作用。通过风洞试验,在雷诺数Re= 0.9×10⁵~4.6×10⁵（涉及亚临界雷诺数区和临界雷诺数区）研究了多种不同相对位置的并列双圆柱的平均阻力、平均升力和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律。研究结果表明：并列圆柱的平均气动性能有强烈的雷诺数效应,临界雷诺数下的气动力系数与亚临界区有很大的差异;在临界雷诺数区域,下游圆柱的平均升力系数会随雷诺数的增大发生不连续突变,这种气动力的突变很可能与双圆柱绕流场的流态结构的演变有关;受上游圆柱的尾流干扰,在临界雷诺数区域内下游圆柱的平均升力系数可达到1.25以上,远大于下游圆柱的平均阻力系数,因而在计算并列索静力风荷载时有必要考虑横风向平均升力的作用。     

圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究

采用粒子图像测速技术对630、800及950三种雷诺数条件下的圆柱绕流场进行了实验,给出了圆柱下游沿流动方向4倍圆柱直径和垂直方向3倍圆柱直径区域内的速度场、涡量场以及涡脱落现象的时空演化规律.结果表明:圆柱尾流区域位于垂直方向约1.5~2.5倍圆柱直径范围内,随着雷诺数增大,这一范围呈现缩小趋势,而主流对涡的拉伸和输运能力有所增强;涡脱落频率随雷诺数增大而增大,小雷诺数时能够较为完整地捕捉到涡生成、脱落、发展和耗散过程,由于PIV采集频率的限制,大雷诺数条件下涡脱落整个过程不易被完整捕捉到.     

Suppression of the Karman vortex street and reduction in the frontal drag of a circular cylinder with two vortex cells

Numerical analysis of an unsteady-state two-dimensional incompressible flow at a Reynolds number of 40000 around a circular cylinder with two vortex cells is carried out on the basis of the finite-volume solution of the Reynolds equations closed by the Menter’s shear-stress transport model. The vortex cells are fitted with slots that ensure suction into the central channel via a fan located and through outflow of a low-pressure jet. It is shown that the suction in small-size cells intensifies the circulatory flow inside it and leads to the rearrangement of a large-scale structure of the flow around the cylinder accompanied by suppression of the Karman vortex street and a slightly symmetrical stabilization of the wake. The frontal drag of the cylinder decreases almost by three times with an optimal coefficient of the sucked air rate.     

Flow visualization studies of vortices

An actual vortex in the Kármán vortex street downstream of a circular cylinder has a core of finite dimension which increases downstream. The circulation of the vortex is nearly constant. The ratiob/a which is 0.281 according to the theory of Kármán, grows from 0.2 to 0.4 in the near wake. In the flow about a circular cylinder rotating in a uniform flow, a Kármán vortex street, Görtler-type vortices and Taylor vortices are generated at the same time. In the flow about a circular cylinder impulsively started with a constant velocity, the primary twin vortices behind the cylinder induce secondary twin vortices near the separation point. At the beginning of the motion, the separation does not occur even though a reverse flow is observed in the boundary layer. Mutual slip-through of a pair of vortex rings was achieved by increasing the Reynolds number. A vortex ring rebounds from a plane surface due to the separation of the flow on the surface induced by the vortex ring, and the secondary vortex ring is formed from the separated shear layer.     

波浪形圆柱的气动力特性试验研究

斜拉索的风荷载和风致振动问题突出,探索能够减阻抑振的新型斜拉索意义重大。研究表明,波浪形圆柱在Re=10~3~10~4有减阻抑振效果,而真实斜拉索的雷诺数通常在10~5量级,有必要研究波浪形圆柱在高雷诺数下的气动性能。以特定几何参数的波浪形圆柱为研究对象,通过风洞试验方法,研究了波浪形圆柱在Re=1.4×10⁵~4.0×10⁵的气动力变化规律。研究结果表明:与等截面圆柱相比,波浪形圆柱的整体阻力系数更大,当Re=1.4×10⁵~3.6×10⁵约大4%~8%,当Re=3.6×10⁵~4.0×10⁵约大47%;在临界区,波浪形圆柱的阻力系数没有出现从预临界区(TrBL0)至单分离泡区(TrBL1)转变过程中的阻力大幅下降的现象,而是随着雷诺数的增大,呈稳定不变的趋势;整体升力系数在整个试验雷诺数范围内始终约为0;展向不同位置的阻力系数、升力系数和风压分布随雷诺数的变化规律表现出差异性,这主要是由于波浪形圆柱的三维几何特性导致的。     

Steady viscous flow past a tapered cylinder

The three-dimensional nature of the viscous flow past a linearly tapered circular cylinder is examined at low Reynolds numbers. The numerical solution of the unsteady Navier–Stokes equations converges to a steady state. The primary flow in planes perpendicular to the cylinder axis is practically indistinguishable from the two-dimensional flow past a uniform cylinder. A secondary spanwise flow is observed in the stagnation zone going from the wide end towards the narrow end, whereas a secondary motion on the rear side goes in the opposite direction. In spite of this secondary flow, the length of the separation zone varies linearly with the local Reynolds number.     

圆形线状结构风致响应的分析方法

获得不同风向、风速下结构的风致响应是进行风致疲劳寿命可靠性分析的基础。考虑顺风向脉动力、横风向脉动力以及由结构振动引起的自激力,对不同风向角不同风速下圆形线状结构风振响应进行估算。根据ESDU(En-gineering Sciences Data Unit)工程科学数据库的资料,在对结构进行风振响应估算的过程中,一定程度上记入雷诺数效应、结构表面粗糙度等重要因素对结构风力及风致振动响应的影响。最后,计算了一实际钢质圆形截面天线的风振响应,并与该天线的气动弹性模型风洞试验结果进行了比较。结果表明计算得到的结果与气动弹性模型试验结果吻合较好。     

高雷诺数下错列双圆柱气动干扰的机理研究

为了进一步澄清小间距错列双圆柱的气动干扰机理,该文采用大涡模拟方法,在高雷诺数下（Re=1.4×10⁵）,研究了间距为2倍圆柱直径的错列双圆柱的气动性能和流场特性随风攻角的变化规律,分析了两个圆柱气动力系数相关性,探讨了下游圆柱气动力与流场结构的内在联系,对下游圆柱平均升力的流场机理提出了新的解释。研究表明,大涡模拟得到的结果与风洞试验值吻合良好;下游圆柱的气动性能、流场结构和两个圆柱气动力相关性均会随风攻角发生剧烈变化;风攻角在0°~10°时,下游圆柱受平均负阻力作用,其原因分别为两圆柱间的回流区和间隙流;风攻角在10°附近时,下游圆柱受很大平均升力作用,风压停滞点偏移、两圆柱间高速间隙流、下游圆柱间隙侧剪切层的提前分离和再附是平均升力出现的三个因素。