用椭圆涡法模拟绕圆柱流动

本文提出一个修改的椭圆涡方法,来计算绕圆柱的流动。修改模型,即椭圆涡的长轴沿速度方向,很适合模拟分离流动。动力系数根据由Navier-Stokes方程导出的公式计算。本文提供均匀来流绕圆柱流动的结果。     

离散涡方法在串列圆柱和张力腿平台绕流中的应用

海洋立柱和立柱群绕流是经典的流体力学问题,研究立柱排列方式、雷诺数和来流方向等因素对尾流形态和受力特性的影响,具有重要的理论和现实意义。传统的CFD方法大多存在计算时间长、难以处理复杂边界和数值耗散等不足。离散涡方法是将N-S方程表达成拉格朗日形式并用涡量-速度表示出来,不存在数值耗散,同时能使计算效率大幅提升。该文采用离散涡方法对不同间距比下串列双圆柱绕流的尾流特征和受力特性进行了研究,结果表明当间距比为2和3时,漩涡脱落仅发生在下游圆柱上,而上游圆柱不发生漩涡脱落现象,上游圆柱阻力系数为正数,下游圆柱阻力系数为负数;而当间距比为4时,上下游圆柱上均发生了明显脱涡现象,且上游和下游阻力系数均为正数。用离散涡方法对简化的张力腿平台模型进行了数值计算,研究了不同雷诺数及不同来流方向的绕流特征和受力特性,并与实验结果进行对比,表明不同流向角下张力腿平台的尾流形态为典型的2S脱涡模型。且除0°外,在其他不同角度下阻力系数随着雷诺数的增加先减小后保持平稳。     

均匀流绕旋转圆柱分离流动的数值模拟

本文利用离散涡模型与边界层理论相结合的方法，研究了高雷诺数下，均匀流绕旋转圆柱的分离流动以及有关动力学特性，并验证了Magnus效应，数值模拟过程中，边界层方程用Keller盒式法求解，离散涡采用涡量均匀分布的圆形涡团模型并以涡核半径随时间增长来模拟涡旋的粘性扩散效应。在计算绕旋转圆柱的流动中，无须人为地引进非对称扰动，到一定时候就能自动形成交替脱落的涡街，旋转圆柱周向速度与来流速度比值α的变化范围为0.05-0.3。计算所得升阻系数、分离点的位置以及压力分布与理论和实验结果相符。     

双圆柱绕流的大涡模拟

基于FLUENT软件平台上的三维大涡模拟方法,对定常来流流场中的单圆柱及不同排列形式的双圆柱进行了水动力计算,并对圆柱周围的瞬时流场、时均流场以及圆柱受力进行了分析.分析结果表明,当Re=6×104时,串列双圆柱中上游圆柱受力明显大于下游圆柱,下游圆柱Gd、Cl的变化频率满足fd=2fl,两圆柱的脱涡频率近似相等,涡街的相位相同;并列双圆柱的Cd基本相等,且变化趋势有一定相似性,脱涡频率均接近单个圆柱,涡街的相位相反;交错45.排列的两个圆柱Cd基本相等,脱涡频率接近,下游圆柱的涡街相位明显滞后于上游圆柱.     

FLUENT软件在圆柱绕流模拟中的应用

使用计算流体力学软件FLUENT，模拟均匀来流绕固定圆柱的流动，模拟雷诺数为20，40，100时的绕流流动，得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明：当雷诺数增加时，流动表现出一系列不同的构造。在雷诺数约为40前后流场有明显变化。小于这个数时，存在一对位置固定的旋涡。大于40时，流场开始变得不稳定，旋涡扩大、脱落、又生成，逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡。并与实验及数值模拟结果比较，确认FLUENT能够很好地预测流动结构。     

不等直径串列圆柱绕流大涡模拟

为研究背负式海底管线中增设的小直径附属管线对主管线的水动力影响,将大涡模拟中经典Smagorinsky亚格子模型与特征线算子分裂有限元法结合,并引入出口对流边界条件,完善了基于特征线算子分裂有限元的大涡模拟方法。通过自编程序数值模拟Re=1 000的单圆柱绕流,计算结果与相关文献吻合较好,验证了该算法计算圆柱绕流的有效性,并分析了Re=1 000时不同直径比、间距比情况下的串列双圆柱绕流,根据流场的不同涡脱落形态及两圆柱平均阻力系数、升力系数随直径比、间距比变化的规律得到了不同直径比条件下的临界间距范围。达到临界间距后,流场由单一涡脱落状态转变为双涡旋脱落状态。最后分析了两圆柱平均阻力系数及升力系数在临界间距后急剧增加的原因,为背负式海底管线的布局优化提供了理论依据。     

圆柱绕流非对称涡发放的数值模拟

本文用有限差分法计算粘性流体绕圆柱的流动。通过有限解析的思想求解涡量方程,并用多重网格的方法计算泊松方程,得到了一个较为合适的格式来模拟中、低雷诺数的流动,计算了Re=40,200两种雷诺数下的流动,讨论了在不同人工干扰激发下圆柱后卡门涡街的形成。     

不同长细比圆柱绕流的大涡模拟

自从人们对层流圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流问题,但高雷诺数下的圆柱绕流具有很强的三维特性,因此在数值计算时模型轴向长度的选取是大家关心的问题。该文基于开源软件OpenFOAM运用LES计算了4种不同长细比圆柱的静止圆柱绕流(包括一个二维算例),重点分析和对比了结果中的一些基础参数如St数、平均阻力系数等,与实验结果吻合良好。文中还进一步分析了时均顺流向速度U在流场中沿流向和横向的分布,发现长细比为π的圆柱算例中,计算域的轴向尺度已经能满足圆柱下游靠近圆柱处的流场中的三维结构的发展。     

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。     

流向振荡圆柱绕流中的涡脱落模态分析

本文用有限体积法对平行于均匀来流方向受迫振荡的圆柱绕流问题进行了二维数值模拟。雷诺数选取Re=200、855等几种亚临界雷诺数情况。研究了不同振幅和振动频率下的流场结构、涡脱落模态和一些重要流动参数如升阻力系数、Strouhal数的变化关系。西文计算表明，流向振荡圆柱绕流中涡脱落方式可划分为对称与反对称两种形态，在反对称的涡脱落现象中又观察到了三种基本模态，相互竞争的各种模态间的共同作用对流动特征起决定性作用。同时计算结果还验证了在圆柱绕流实验中观察到的频率锁定现象。     

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。     

电加热圆柱尾迹涡的流动显示

本文在低湍流度风洞及水槽中，就低雷诺数范围内对加势圆柱尾迹涡进行流动显示研究，实验表明在水介质中均匀加热圆柱时可促进其尾涡的脱落、而沿展向局部加热时，其局部涡脱落频率增大，导致原准二维卡门涡街三维化；相反空气中加热圆柱对旋涡脱落有扼制作用，本文首次观察到加热诱发的圆柱尾迹不稳定性的展向波，表现为Ｒｅ＾＊〈Ｒｅ（临界涡脱落雷诺数）时双子涡展向断裂成间距为展向波长λ的涡段。圆柱加热增强了尾迹近区的不稳     

圆柱桥墩的绕流数值模拟

以西藏林芝八一大桥为模型,采用大涡模拟,得到了流场的压力云图、瞬时速度流线图、涡量图。结果表明:流体开始流过桥墩时,圆柱壁面压力最大点及最低点分别出现在前驻点与圆柱壁面上下两侧;流体充分流动,中间的圆柱压力最大点发生了变化;流体绕中间圆柱的流动特性同时受到上游圆柱与下游圆柱的作用;漩涡脱落圆柱向下游运动,受流体流动的影响与自身的剪切运动,涡能量不断减少,最后消失;运用大涡模拟能够很好的预测圆柱绕流问题,可以为高原实际工程的应用提供参考。     

β平面上绕圆柱流动的实验研究

本文介绍了旋转实验台上进行的β平面上东向流绕圆柱流型的若干初步实验结果。用径向水深线性变化模拟β效应,用源汇法产生东、西向流。定性地在实验中观察到三种不同的流型——光滑绕流型、波动型及阻塞型。存在一动力参数,决定着哪种流型的出现。     

高雷诺数圆柱绕流的数值模拟

本文试图通过不同精度的差分格式在较高Re数下的计算结果的对照比较,以期了解在高Re数下不同格式的优劣,达到合理选择计算格式,使其达到既计算精确,又相对节省时间的目的。     

圆柱非定常绕流及涡致振动的数值计算

用基于一般曲线坐标系和交错网格的差分法求解原始变量二维不可压粘性流体的N-S方程，计算了雷诺数从100到1×10     

双圆柱在不同排列方式下绕流流态模拟

双圆柱绕流伴随着流动分离、旋涡生成与脱落、旋涡间相互干扰等复杂问题,其流动形态和流动特征受圆柱相对位置影响。使用FLUENT流体软件,选取间距比1.75,2.5和4,在二维层流模型下,模拟了双圆柱串列、30°夹角错置、60°夹角错置和双圆柱并列绕流,分析了双柱绕流流态、旋涡脱落形态、升力、阻力系数随圆柱相对位置改变而变化的规律,并对比已有的试验成果和模拟成果,为桥梁建设和圆柱绕流理论研究提供了基础数据。     

针对圆柱涡激振动问题的智能流动控制

近些年来,机器学习的蓬勃发展为主动流动控制提供了许多新颖的研究思路。该文将深度强化学习这一半监督式的机器学习方法应用到圆柱涡激振动这一经典问题中,构建了以旋转为激励方式,以尾流速度提供反馈信号的闭环控制回路,以期实现抑制振动的目标。该文以格子Boltzmann方法为核心,求解器模拟主动控制下的非定常流动,并辅以浸没边界求解模块,从而实现流场的高效求解。在智能控制方面,采用近端策略优化这一主流的基于策略的深度强化学习方法,通过两套独立的神经网络在训练过程中分别实现动作决策和效果评估的目的。并利用上述智能流动控制框架,成功实现了降低圆柱涡激振动振幅89%的目标,同时采用本征正交分解的方法对流场的时空演化进行了分析,为发展一般性的复杂流动主动控制方法提供了相关参考。