黏性非定常圆柱绕流的升阻力研究

对于单圆柱绕流问题，以前的分块耦合法一般将整个流场区域划分为八个子区域，同时每一子块的内部拟边界与相邻块重叠一层网格，且节点数一致，以便实现数据传递．这种分块方法紧贴圆柱面上也会有拟边界点，所以不利于以后的动网格计算，使用新的分块耦合求解方法来数值模拟单圆柱以及不同间距下的串列双圆柱绕流情况，克服了过去分块方法造成的边界附近的数值奇性问题，并将该方法扩展用于串列双圆柱绕流的数值模拟，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响，为进一步研究涡致振动提供了依据，使用壁面涡量积分法计算升阻力系列化脉动，精确计算出了脉动周期和幅值，计算结果与实验数据符合较好。     

基于流声耦合的调节阀空化噪声数值预测

针对工程应用中调节阀普遍出现的空化以及由其产生的噪声问题,提出基于流声场耦合法的调节阀空化噪声数值预测方法,首先选择大涡模拟和空化模型对调节阀进行瞬态流场计算,然后联合声学边界元法利用流场信息计算噪声场特征,分别数值计算一种轴流式调节阀在空化和无空化工况时的噪声。结果表明:监测点处的声压级频率响应曲线整体趋势基本一致,计算结果符合实际规律;空化工况时的声压级频率响应曲线具有较多的峰值点,而无空化则较为平稳,可作为判断调节阀是否产生空化的依据;数值计算得到的监测点处总声压级与理论预测计算的相对误差低于7.1%,证明了数值计算的准确可行性。     

基于声源视角法的气动噪声计算研究

为提高气动噪声求解效率,Casalino提出了声源视角法,首先详细阐述了该方法,并列举其相比传统延迟时间法的优越之处。该方法主要是从声源视角重新建立延迟时间方程,此时无论声源运动形式是否复杂,都使延迟时间方程从超越方程变为代数方程,无需迭代即可直接求解,提高了声场程序的求解效率。其次新建立的延迟时间方程给求解声场的程序设计也带来很大便利,即无需预先存储大量时间步的流场数据,流场求解和声场求解在程序中可以同时进行。并且当接收点无论是静止、亚声速运动还是超声速运动,新建立的延迟时间方程的解均能给出明确的物理意义。最后以声源视角法为基础,通过编写声场求解程序并结合已有的流场求解程序求解圆柱绕流和后视镜绕流2个算例,进一步检验声源视角法的准确性和有效性,计算结果与实验结果吻合良好,表明了声源视角法准确、有效。     

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。     

近平板圆柱绕流的边界元分析

应用边界元方法,对低雷诺数粘性不可压流体的半无界近平板圆柱绕流问题进行数值模拟,得到圆柱表面的压力、面力分布规律,给出数值模拟的圆柱绕流的注场,数值计算与理论分析和实验结果比较完全一致。     

高雷诺数下并列双圆柱绕流的大涡模拟

为澄清并列双圆柱结构发生偏向流现象的流场机理,采用大涡模拟(LES)方法,在高雷诺数下(Re=1.4×10~5)研究了并列双圆柱的气动性能及其流场特性随圆柱间距比P/D(P为圆心间距,D为圆柱直径)的变化规律,重点探讨了小间距并列双圆柱的偏向流现象及其对圆柱气动性能的作用机理.研究结果表明:大涡模拟方法得到的气动力结果与文献风洞试验值吻合良好;随着并列双圆柱间距的增大,绕流场会呈现单一钝体、偏向流和平行涡街等多种流态结构;当P/D=1.1时,绕流场会间歇性地出现单一钝体和偏向流流态,两种流态的气动性能和流场特性有很大差异,圆柱的气动力会随时间发生剧烈变化,呈现非稳态特征;当P/D=1.2～1.5时,绕流场呈现偏向流流态,两个圆柱的气动力和尾流呈现不对称现象,偏向流的偏转方向会出现间歇性地变化,尾流涡脱强度弱,气动力脉动小;当P/D=2～4时,绕流场总体呈现平行涡街流态,尾流涡脱强度强,气动力脉动大,气动干扰减弱.     

基于投影浸入边界法的流固耦合计算模型

针对建立的刚体和流体相互作用的浸入边界法数学模型,借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.在空间离散上,对流项采用Quick格式,扩散项采用中心差分格式.时间推进采用显式欧拉法,固体对流体的作用力源项引入流体体积(VOF)方法中的体积比函数,通过龙贝格算法高效求解每个网格单元中浸入刚体所占的体积比.利用VC++编写投影浸入边界法的数值计算程序,并以单圆柱绕流为基准数值算例,通过与其他文献和实验结果的对比,验证了数值计算结果的准确性和可靠性,并进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流场的涡结构分布特征.     

基于大涡模拟的方柱绕流噪声特性研究

采用大涡模拟结合Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程声类比的方法,研究了方柱绕流噪声特性,将基准模型数值计算结果与前人试验结果进行对比,并分析方柱绕流噪声辐射特性以及流速和流向对声场的影响规律。研究表明:基准模型数值计算结果与试验值较为一致,说明了文中计算方法的适用性;在约110°和250°的圆周方向上的存在偶极子噪声模态,且随着距离的增大,噪声辐射声压级逐渐减小,噪声指向性变得逐渐不明显;随着流速的增大,涡脱落频率逐渐增大,且涡脱落频率处的声压级也随之增大,辐射噪声声压级在频域上呈增大趋势;流向的改变使得方柱绕流辐射噪声的声场指向性变得复杂。     

相位共轭法进行水下圆柱壳辐射声场的识别研究

为了研究水下工程结构辐射声场的识别问题,基于相位共轭方法采用离散阵元对水下有限长圆柱壳的辐射声场识别进行了数值仿真计算.采用不同的阵列形式分别在近场和远场对圆柱壳表面声压、法向速度、辐射声功率和声强进行了识别及重构误差分析,并讨论了激励频率变化对重构结果的影响.数值计算结果表明:只有在近场采用圆柱形阵列形式并基于声压梯...     

稳定流与三翼圆柱的流固耦合研究

在低雷诺数下,应用有限元数值模型计算了带有三扰流翼板圆柱的涡激振动问题,研究涡的释放形式和圆柱的振动幅度．在数值模型中,针对低雷诺数外部流场采用无量纲的N-S方程,三扰流翼板圆柱振动简化为质量-弹簧的断面系统,通过在流固边界上位移与应力的反复迭代,进行三扰流翼板圆柱与外部流场耦合计算,计算结果表明triangle60型的三扰流翼板可以明显地减小圆柱的涡激振动．     

流体绕多个钝体不稳定分离流动数值仿真

采用离散涡方法对绕多个钝体不稳定，分离流动进行了数值仿真。数值试验结果表明，在来流对称的条件下，绕双圆柱流动是双稳态的，这和实验是一致的，绕多个钝体的流动更为复杂，前排对后排的流动存在很大的影响，尤其在前排不仅是一个物体的情况下。计算中还包括了物体的不同截面形状，这些计算结果将有助于各种换热器，海洋平台、建筑群布置等正确设计，改变以往仅按平均、稳定流动的设计。     

基于改进湍流模型的圆柱涡激振动数值模拟研究

为准确模拟圆柱体在涡激振动中的升力与阻力,本文对SST(shear stress transport)k-ω湍流模型进行改进,并在圆柱绕流中验证改进模型的正确性。基于OpenFOAM嵌入自编程序进行圆柱双自由度涡激振动数值模拟,采用三种不同的初始条件,通过计算对比三种初始状态下涡激振动的幅值、锁定区间、流体力、运动轨迹以及漩涡脱落特点,发现三种初始条件下得到的结果有一定的差别,相比之下匀加速条件的结果最为精确。研究显示:漩涡脱落模式的突变导致了幅值分支的突变,漩涡脱落体现出的"惯性"是产生"迟滞现象"的内在原因之一。     

斜拉索风雨激振-实验与数值模拟混合子结构方法研究

人工模拟降雨条件下,斜拉索风雨激振的非定常气动力难以测试,本文提出结构风致振动的实验与数值模拟的混合子结构方法,将结构和流场分为两个子结构,将实验获得的结构振动作为动边界施加在流场子结构,仅对动边界的绕流场进行CFD数值模拟。首先通过圆柱涡激振动验证混合子结构方法的可行性及精度;然后采用混合子结构方法,计算斜拉索风雨激振的气动力并施加到斜拉索上,得到斜拉索振动响应并与实验结果比较。结果表明混合子结构方法能够准确地获得斜拉索风雨激振的气动力时程。     

斜拉索风雨振-实验与数值模拟混合子结构方法

人工模拟降雨条件下,斜拉索风雨激振的非定常气动力难以测试,本文提出结构风致振动的实验与数值模拟的混合子结构方法,将结构和流场分为2个子结构,将实验获得的结构振动作为动边界施加在流场子结构,仅对动边界的绕流场进行CFD数值模拟.首先通过圆柱涡激振动验证混合子结构方法的可行性及精度;然后采用混合子结构方法,计算斜拉索风雨激振的气动力并施加到斜拉索上,得到斜拉索振动响应并与实验结果比较.结果表明混合子结构方法能够准确获得斜拉索风雨激振的气动力时程.     

通用的插值补充格子Boltzmann方法应用于计算气动声学

提出将通用的插值补充格子Boltzmann方法（GILBM）应用于非均匀网格进行计算气动声学研究. 通过顶盖驱动方腔流、低雷诺数圆柱绕流算例验证GILBM数值模拟方法的正确性. 在此基础上,将该方法应用于高斯脉冲传播、周期性声源传播、二维圆柱绕流的气动噪声计算. 研究结果表明,GILBM方法可以在非均匀网格上较好地模拟高斯脉冲及周期性声源声波的传播过程,计算结果与解析解较吻合. GILBM方法能够模拟非均匀贴体网格下的圆柱曲面边界由于涡脱落造成的气动噪声的产生和传播过程,可以较好地捕捉到近场及远场的声压传播. 圆柱绕流声学特性呈现出偶极子现象,计算结果与参考文献较吻合,证明采用GILBM方法在非均匀网格中模拟声传播问题的正确性及求解气动声学问题的可行性.     

旋翼前飞气动噪声高效数值算法研究

采用“双时间法”数值求解旋翼前飞非定常欧拉方程，并在此基础上，运用改进的Kirchhoff方法，将近场流动解作为声源信号，积分求得旋翼前飞时产生的远场气动噪声(高速脉冲噪声)，从而发展了一套“流场→声场”的高效算法。为了保证网格生成效率，采用无限插值理论生成绕旋翼O-H型代数网格，并考虑了桨叶作变距运动的网格生成问题。解决了前飞噪声计算所遇到的计算机存储量过大、CPU时间过长的问题，并给出了定量计算结果，可作为研究旋翼声场机理及直升机降噪设计的基础。     

不同排列双圆柱气液两相绕流数值模拟

在一定的来流速度下,采用有限容积法计算了不同含气率、不同来流速度与双圆柱圆心连线角度情况下,整个流场的变化.夹角选取为α=90°(并列)、60°、45°、30°、0°(串列).结果表明:当α=90°(并列)时,两圆柱后产生稳定的同步反相旋涡脱落.随着夹角的减小,两柱之间产生了强大的排斥力,上游圆柱振动受到抑制,尾涡的长...     

超声波体积流量计声场混合计算方法

超声波体积流量计测量空间内声场分布主要由换能器性能和实际工况下的流场共同决定. 在进行相关声场研究时,为了解决仅使用数值法难以对实际换能器重要计算参数进行准确建模的问题,提出联合测量边界条件和数值法的混合计算方法对声场进行求解. 计算模型的振动边界条件通过使用扫描式激光测振仪测量换能器表面离散点的振动速度并对其进行数据拟合来准确获取,实现以实验测量的数据对建模不确定性最大的换能器进行表征. 由计算流体动力学对超声体积流量计在不同体积流量下的流场进行求解,并将获取的流场导入数值计算模型中作为背景流场. 借助有限元软件COMSOL求解由非均匀流中线性声学式推导的控制式对声场进行预测. 比较预测和实验结果,对混合计算方法进行验证.     

高雷诺数圆柱绕流分离的旋转控制

为了深入研究高雷诺数旋转圆柱绕流的流场特性,采用大涡模拟(LES)方法对雷诺数Re分别为3 900、1.4×105、1.0×V106的圆柱绕流在不同转速条件下的三维流场进行了数值仿真。首先以典型非旋转圆柱绕流为算例与相关研究结果进行了对比,验证了本文计算方法与结果的准确性,然后对旋转速度α分别为1、2、3、4时的圆柱绕流进行了模拟。结果表明,不同雷诺数条件下旋转效应都可以有效抑制旋涡脱落和尾部湍流的产生,且分离涡随着转速和雷诺数的增大而变小。同时,雷诺数越小,圆柱的升阻比越大,而超临界区升阻力系数的变化趋势不明显且其值较小;雷诺数越大,受到粘性力的影响越小。     

扭曲圆柱绕流特性的大涡模拟

为了有效抑制涡激振动对海洋平台和立管的破坏,需要对圆柱尾涡绕流特性进行进一步研究.本文采用大涡模拟方法对雷诺数Re=28 712时不同扭曲角度α的扭曲圆柱湍流流动进行了数值模拟.通过与光滑圆柱计算结果对比得知,α=40.时扭曲圆柱对阻力与升力的抑制效果最好,相应的涡形成长度显著增大,同时圆周表面最小压力系数要大于光滑圆...