基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟

该文采用计算流体软件CFX5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性。使用有限体积法对三维N-S方程进行求解。数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性。数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性。     

用SST-DES和SST-URANS方法数值模拟亚临界雷诺数下三维圆柱绕流问题

基于剪切应力运输(shear stress transport,SST)的分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)在近壁面的流动区域采用SST模型,而在其他区域采用亚格子模型求解流场。本研究中分别应用SST-DES和SST-URANS方法对亚临界雷诺数Re=3900下的三维圆柱绕流进行了数值模拟,比较分析了两种数值方法下圆柱表面的时均压力分布、圆柱后方的漩涡脱落特征、圆柱下游流场的时均速度剖面分布等,并将数值模拟结果同前人物理试验比较,结果表明SST-DES方法在亚临界雷诺数下的三维圆柱绕流数值模拟问题上比SST-RANS方法具有更好的效果。     

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。     

方柱绕流数值模拟

利用FLUENT中的RNG k-ε算法对长宽比H/B=1.5方柱绕流进行数值模拟,分别模拟了在雷诺数Re=800的亚临界条件下,4种不同情况下的流动。分别为:流体流过单个方柱,流体流过间距为1H,2H,3H的两并列方柱的流动。根据数值模拟结果,分别得出了4种流动状态下流场,壁面的升阻力系数。并对升力系数进行傅里叶变换,分析及归纳了方柱绕流旋涡脱落的规律。     

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.     

床面上直立圆柱绕流问题的湍流模型比较

该文采用RANS方程和RNGk-ε、k-ω以及RSM三种湍流模型进行计算,模拟了床面上直立圆柱周围的三维复杂流场,分析了定床条件下光滑床面和粗糙床面条件下流场的形态,并将计算结果与实验进行了对比.结果表明,这三种模型均能模拟出圆柱周围的流场,但是在结果上有一定的差别.要使k-ω模型较好地模拟床面的剪应力,需要比其它两个模型更密的计算网格.与RNGK-ε,k-ω模型相比,RSM模型能够更好地模拟圆柱附近的速度场和床面的剪应力,但是计算时间往往更长.     

高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟

本文使用表面涡法研究高雷诺数下不同排列方式双圆柱绕流的流动状态，计算了双圆柱在并列、串列及级列的情况下的各种流动结构，涡街的变化及作用在圆柱上的受力情况。本文结果清楚地描述了双圆柱绕流复杂的流动状况，计算结果与实验显示的流动状况十分相似，斯特罗哈数和阻力系数与实验结果符合得很好。     

近底水平圆柱振荡绕流的三维数值模拟

在Honji和Sarpkaya等人的实验研究中发现，绕圆柱的振荡流并不是简单的二维流动，而是存在复杂的三维流态。本文用有限元方法求解原始变量的Navier-Stokes方程，模拟了Re数为392、Kc数为2时正弦振荡流绕平面附近圆柱的流动。分析了三维流场结构的特点，并分析了平面边界对尾流结构的影响。     

Numerical simulation of flow past circular duct

The Renormalization Group(RNG)k-ε turbulence model and Volume of Fluid(VOF)method were employed to simulate the flow past a circular duct in order to obtain and analyze hydraulic parameters.According to various upper and bottom gap ratios,the force on the duct was calculated.When the bottom gap ratio is 0,the drag force coefficient,lift force coefficient,and composite force reach their maximum values,and the azimuth reaches its minimum.With an increase of the bottom gap ratio from 0 to 1,the drag force coefficient and composite force decrease sharply,and the lift force coefficient does not decreases so much,but the azimuth increases dramatically.With a continuous increase of the bottom gap ratio from 1 upward,the drag force coefficient,lift force coefficient,composite force,and azimuth vary little.Thus,the bottom gap ratio is the key factor influencing the force on the circular duct.When the bottom gap ratio is less than 1,the upper gap ratio has a remarkable influence on the force of the circular duct.When the bottom gap ratio is greater than 1,the variation of the upper gap ratio has little influence on the force of the circular duct.     

亚临界雷诺数下电磁力控制圆柱体绕流场特性的脱体涡模拟

该文利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,采用脱体涡模拟(DES)方法,在亚临界雷诺数(Re=5×104)下,对电磁力作用下圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果显示:电磁力可以增大圆柱体近壁面的流体动能,延缓流动分离,减弱绕流场的三维效应;同时电磁力还可以显著减小圆柱体阻力,抑制其阻力与升力脉动幅值,而且随着电磁力作用参数的增加,圆柱体平均阻力及其升力系数均方值均呈指数衰减特征.研究表明,在亚临界雷诺数下,电磁力可以有效地改善圆柱体绕流场结构,达到减小其阻力并抑制其升阻力脉动幅值之目的,因此是圆柱型结构一种有效流动的控制手段.     

水流作用下圆柱周围床面切应力分布的三维数值模拟

该文基于计算流体动力学开源程序OpenFOAM建立三维水流数学模型,模拟圆柱周围的水流运动,分析圆柱迎流侧和背流侧流速剖面分布,通过与物理模型试验结果对比,表明所建立的模型能够较好地描述圆柱周围的水流运动。并在此基础上,分析对比了不同床面切应力计算方法模拟得到的圆柱周围床面切应力放大系数分布,获得了较为准确的计算方法。     

两层黏性流体中直立圆柱体绕流的三维数值模拟

研究了两层流体中直立贯底圆柱体的三维黏性绕流问题.以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,应用VOF方法追踪两层流体的内界面,建立了该问题的数值模拟方法.成功地数值模拟了两层流体中圆柱体黏性绕流产生的三维尾涡特征,表明了流体的密度分层效应对直立贯底圆柱体的尾涡特性和阻力系数都是有影响的.在海洋立管涡激振动的研究中,考虑流体的密度分层效应是重要的.     

圆柱尾迹流场中横向振荡翼型绕流的数值模拟

该文数值模拟了静止圆柱尾迹中横向振荡翼型绕流的涡结构、力及频谱特性,揭示前方尾迹流场对振荡翼绕流特性的影响,以了解鱼类游动时自主利用前方流场有利干扰的流体力学机理。研究表明圆柱尾迹的影响可导致翼型前缘涡脱落模态发生变化;翼型尾迹的频谱特性更加复杂;在一定的参数下翼型阻力系数可以整体下降。     

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。     

线性剪切来流对方柱绕流特性影响的数值分析

为研究线性剪切来流对方柱绕流特性的影响,将对流出口边界条件引入特征线算子分裂有限元法中,建立了线性剪切来流的方柱绕流数值模型,并采用均匀来流的方柱绕流模拟结果验证了该模型计算方柱绕流问题的可靠性。数值模拟结果表明,剪切参数k对方柱绕流尾部形成的两排涡影响明显,涡脱落在k较大时被抑制,在k≥0.4时涡量最终形成一个类似三角形的区域;驻点随k的增加逐渐向高速侧分离点移动,在k≥0.3时驻点的位置不再发生变化;平均阻力系数在0.2≤k≤0.25时发生较大变化,平均升力系数在k≥0.2时为负。     

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。