利用分离盘控制隔水管涡激振动的数值模拟

涡激振动是导致深海隔水管疲劳失效的重要因素.为有效控制隔水管涡激振动,提出了利用分离盘控制涡激振动的方法.对加装0.25～2.0倍隔水管直径的分离盘后的隔水管流动进行了二维数值模拟.研究了亚临界状态下各种模型旋涡脱落的流场结构、脱落模态、隔水管升阻力系数和旋涡泄放频率的变化特征.结果表明:分离盘加装前与经典的实验和计算结果吻合很好;不同尺寸的分离盘对隔水管涡激振动控制效果具有明显差异;当分离盘的长度为1.0至1.5倍的隔水管直径时,平均阻力系数可以减小20%,尾迹涡街的频率也有了较大的减小,达到控制涡激振动的最优效果.     

海洋隔水管涡激振动的三维数值模拟研究

流体场采用k-ω湍流模型进行三维CFD数值模拟,固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模拟,通过一种新的方法实现流-固耦合交界面的无缝数据交换,参考Lehn(2003)长径比为482的模型实验完成隔水管流向与横向涡激振动的三维数值模拟。模拟结果与实验结果吻合良好,都反映了多阶振动模态特性。引入激发速度解释了多阶振动模态的现象。进一步分析表明,大长径比柔性隔水管发生涡激振动时流场尾流区涡的脱落呈现多种涡结构模式,尾涡动力特性在不同截面的变化体现出明显的三维特征。同时隔水管振动时出现非对称弯曲大变形现象,运动轨迹呈现变形的8字形。研究同时表明,顺流向的振动响应不可忽略。     

附加附属管的隔水管涡激振动离散涡模拟

该文采用离散涡数值方法,对附加附属管的隔水管涡激振动问题进行了模拟。计算了配置4–10根附属管情况下隔水管涡激振动问题,将附加附属管后隔水管的受力系数、振幅与裸管的结果进行比较,同时也研究了不同来流攻角对附属管涡激振动的影响。结果表明,附加附属管后隔水管振幅与裸管相比,受力系数与振幅均有不同程度地减小,对隔水管涡激振动的抑制效果明显。不同数量的附属管对来流攻角的敏感性也各不相同,附加6、8和10根附属管都有很好的抑制效果,其中附加10根附属管对隔水管的抑制效果最好,减幅约达到50%,且对来流攻角的敏感性也最低。     

临界区雷诺数下翼型流场电磁力控制的脱体涡模拟

利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极翼型产生的三维Lorentz力分布,将其加入到流体控制方程的动量方程中,采用脱体涡模拟方法对临界区雷诺数下受Lorentz力作用下翼型绕流场进行数值模拟,研究分析了电磁力作用系数和攻角对翼型绕流场结构及其升阻力系数的影响机理和规律。结果表明,Lorentz力可以有效地改善翼型周围的流场结构,达到减阻、增升、消涡以及延缓和抑制其失速的目的,因此是翼型的一种有效流动控制手段。     

明渠突扩分离流底部回流长度统计特性研究

利用大涡模拟技术,对明渠突扩分离流三维流动进行了数值模拟,得到明渠突扩分离流流场精细速度分布特征,并与试验结果进行了比较,指出:在高雷诺数下,明渠突扩分离流的底部回流长度随时间不断震荡,但整体统计特征值趋于稳定,统计平均长度与试验结果相符,并且对雷诺数的依赖很小。     

孤立波作用下边界层的模拟与分析

孤立波作用下的边界层内的剪切力以及涡量变化对海啸传播和海底地形塑造十分重要。本文基于多区域谱方法,利用直接模拟(DNS)数值模型,对在具有矩形断面的U形水洞内的孤立波下的边界层流动进行了模拟。将数值模拟结果与解析解以及试验结果进行了对比,发现数值结果与后两者吻合得较好。模拟结果显示,在低雷诺数下,扰动不会改变流态,而随着雷诺数的增大,流态会变得十分复杂。中等雷诺数情况下,边界层内会产生正向的涡,并进行稳定的传播。在较高雷诺数情况下,流动进入层流向紊流发展的过渡期,此时边界层内会产生正涡以及负涡,并会在水深方向进行不规则运动。     

均匀来流中大长径比深海立管涡激振动特性

提出了一种对大长径比深海立管涡激振动特性进行三维耦合数值模拟的方法。其中,流场采用大涡模拟方法进行三维数值模拟,结构振动采用基于薄壳模型的有限元方法进行数值计算,并采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的新方法,实现了流体与固体之间的三维耦合数值模拟。在雷诺数Re=3400和11000下,对某长径比为1200的深海立管模型在均匀来流中的横向涡激振动特性进行了数值模拟与分析。结果表明,大长径比柔性立管的横向振动响应对其尾涡动力特性会产生显著影响,包括会出现涡泄频率显著增大和多频涡泄等复杂现象。尽管来流是均匀的,但立管的横向振动响应会出现明显的多模态特征,除了包含有与涡泄频率一致的振动响应外,还包含有其它频率成分的振动响应。特别地,还会出现多种高阶模态振动共存的非对称复杂弯曲变形等现象。研究表明,该方法为研究深海立管涡激振动特性及其工程预报的相关问题提供了一种有效的途径。     

附属管对钻井隔水管涡激振动流动控制的研究

抑制钻井隔水管的涡激振动是海洋油气开发的一个重要课题。附属管线会改变隔水管附近的流场进而抑制隔水管的涡激振动。采用SST湍流模型数值模拟和风洞实验研究了亚临界流动区域的隔水管关键动力学因素。对于附属管中心距隔水管表面为0.2倍隔水管直径(D)的情况,研究结果表明:计算结果和实验结果较为吻合;不同布置方式和尺寸的附属管起到的抑制效果明显不同;当附属管按照4×0.1D×0o均匀排布时,抑制效果较好且管数较少,时均阻力系数和脉动升力系数均可以减少60%以上;考虑到实际工程应用中海水来流方向的易变性,发现8×0.1D的附属管总体抑制效果最好,减阻和减升分别能达到30%和70%以上。     

水泵水轮机增减负荷过程三维流动特性大涡模拟分析

采用大涡模拟(LES)对水泵水轮机增减负荷过渡过程进行三维非定常数值模拟,捕捉到了不同开度下叶道中多种涡系结构,展示了叶道涡涡量分布,分析了水轮机工况及水泵工况小流量运行区的流动结构变化特性,揭示了水流进口攻角与叶道涡涡系结构关系,对各类叶道涡不同形态进行了研究并提出了马蹄涡识别变量,并对比分析了水轮机工况及水泵工况涡结构变化特性。计算表明水泵水轮机的水力稳定性与机组运行工况改变时的流动结构特性密切相关,在增减负荷过渡过程中,叶道涡结构的尺度及分布范围均随时间发生较大变化,是影响流态发生巨变的主要因素。     

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。     

二维叶栅通道直接数值模拟涡系分析

该文基于有限体积法对NACA0065叶栅内二维不可压缩流动进行直接数值模拟,得到不同雷诺数下叶栅通道内的瞬时涡系结构和时均物理量分布,进而表明了涡系结构对叶片气动系数的影响。在低雷诺数情况下,尾迹旋涡的周期性脱落频率导致升阻系数的周期性变化。利用傅立叶变换,气动系数谱中的主频与涡脱落频率精准对应,进一步分析表明次频是由脱落周期内相邻区域的不同涡核低压区交替出现而导致。在高雷诺数下,气动力系数频谱中出现了更多的高频谐波。此外,该文利用Liutex理论中的R-S分解和涡量输运方程解释了NACA0065叶片表面剪切层产生旋涡的机理,并研究了强剪切区和弱剪切区处的涡核特性。该研究结果可使工程界对NACA0065叶栅中的相应旋涡结构及其相互作用有了更深入的物理理解。     

亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的数值模拟及减阻研究

采用大涡模拟数值方法对亚临界雷诺数Re=3000下波浪型圆柱的绕流现象进行研究分析。研究结果表明,波浪型圆柱的三维尾迹涡结构能得到很好的控制,它在轴向方向呈现周期性正负涡的交替分布特性。随着幅值的增大,波浪型圆柱表面的自由剪切层得以延展,使得旋涡的脱落发生在波浪型圆柱下游较远处,从而达到减阻的目的。波浪型圆柱与普通直圆柱相比,其幅值对平均阻力系数及脉动升力系数的减少及尾迹控制有着更重要的影响,最大减阻可达16%。     

基于CFD的阿海水电站尾水管内部流场及性能研究

基于Realizable-双方程湍流模型和三维时均N-S方程,对阿海水电站尾水管进行了三维湍流数值模拟研究.通过数值方法求解控制方程,得到了额定工况下尾水管内部流场的许多内部细节,获得了尾水管压力分布,分析了涡带的运动规律和计算结果产生误差的原因,给出了改进的措施,计算了尾水管回能系数。研究结果表明,采用Realizable-双方程湍流模型可以预测到尾水管内水压力场,能量回收效果较好,与实际相符。     

基于熵产理论的水轮机尾水管涡带研究

为了研究水泵水轮机部分负荷工况尾水管涡带产生的原因和压力脉动特性,本文以模型水泵水轮机为研究对象,对内部流动进行了全流道三维数值模拟并采用熵产理论进行了分析。计算结果分析表明:数值模拟与实验值吻合较好;固定导叶和蜗壳内的总熵产很小,而转轮和尾水管内较大,在小流量工况叶片压力面产生的流动分离会导致高熵产率分布区域的出现,并且会随着流量的进一步减小而扩大;在部分负荷出现了粗壮型和纤细形两种涡带,均呈现螺旋形,涡带的形成与叶片出口环量偏离零环量有很大关系;涡带的出现会在尾水管内形成漩涡,阻塞尾水管通道,涡带跟随转轮同方向旋转,但是转速更低,因此尾水管出现幅值较大的低频压力脉动。     

三维非定常湍流尾水管涡带计算研究

混流式水轮机弯肘型尾水管在部分负荷工况下产生带气泡的尾水涡流, 涡流在离心力的作用下形成与水流共同旋的涡带，由此产生的低频压力脉动是混流式水轮机面临的一个普遍性问题。水轮机中存在的水力压力脉动现象将诱发转轮叶片疲劳破坏。更有甚者对整个机组、厂房构成威胁, 严重影响了机组的安全稳定运行。本文采用全流道三维非定常流动数值模拟方法, 研究三峡混流式水轮机在部分负荷工况运行时，由尾水管涡带以低频的周期在尾水管内旋进引起的压力脉动现象。采用全流道非定常流动粘性湍流计算，计算结果表明在各记录点都捕捉到了涡带低频压力脉动：频率为0.333Hz, 是转频1.25Hz的3.75分之一，相近工况模型试验实测涡带频率为5.31Hz, 是转频18.62Hz的3.51分之一，从涡带频率看计算结果与试验测量结果一致。     

螺旋侧板截面形状对Spar平台涡激运动的影响研究

处于深水中的Spar平台两侧不断产生周期性漩涡脱落,极易诱发涡激运动,缩短平台疲劳寿命。为探究不同截面形状螺旋侧板对漂浮式风力机Spar平台涡激运动的影响,采用大涡模拟(LES)方法,对亚临界雷诺数流动状态下附加不同截面形状螺旋侧板的平台进行研究,并与光滑平台进行对比,分析其水动力系数及尾涡发放特点。研究表明:螺旋侧板在有效抑制平台升力系数的同时,还会增加阻力系数,圆形截面侧板对平台升力系数的降幅最大,阻力系数增幅最小;螺旋侧板的存在使漩涡脱落频率整体减小,从单一主频发放变为主频和次频发放;圆形截面侧板的漩涡脱落点距离平台最远,发放最为迟缓;在研究范围内,发现圆形截面侧板抑涡效果最佳。     

浅水圆湍射流流场特性数值模拟

该文使用计算流体动力学CFD方法,基于不可压缩的Navier-Stokes方程,对圆管湍流射流在浅水密度均匀流体中的流场演化进行了数值模拟。在圆管湍流射流过程,运用Realizable k-ε的雷诺时均RANS模型;射流停止后,采用大涡模拟方法模拟大尺度漩涡在背景流体中的演化。为了考虑自由面的影响,计算域设置了空气层,并采用流体体积函数VOF方法对自由表面进行追踪。在不同的水深约束参数和雷诺数的组合下,对偶极子涡的速度场与涡量场的变化特性、垂向运动特征、涡量-流函数的变化特性以及动能和动量的演化规律等方面进行了分析,结果表明:不同水平面上偶极子涡的速度矢量场之间在涡的前端表现出较大差别,涡的前端存在垂向环流现象,流场具有明显的三维运动特征。不同水平面上垂向速度梯度的峰值和该平面上垂向涡量的峰值差不多大,垂向速度梯度不能忽略,再次证实了偶极子涡垂向运动现象的存在。偶极子涡主流动的涡量和流函数之间存在非线性关系,其散点图由中心对称的两个形似"镰刀"状的分支组成,并且随着时间的推移,"镰刀"状的区域逐渐变窄。偶极子涡主流动所在平面上的动能和动量在不同工况下均逐渐衰减,但动量的衰减速率会因自由表面及底部边界条件的影响而发生明显波动。     

基于LES的亚临界和超临界圆球绕流数值研究

三维圆球绕流是流体力学中的经典问题,国内外学者曾对此进行过许多研究,但大多局限于较低雷诺数。该文采用基于动力亚格子模型的大涡模拟对亚临界雷诺数(Re=10~4)和超临界雷诺数(Re=1.14×10~6)等高雷诺数下的圆球绕流进行了数值仿真计算。计算结果表明,得到的阻力时均值和经典Re-Cd曲线相吻合,相比于亚临界雷诺数,超临界雷诺数下近球面回流区剧烈收缩,阻力系数锐减;圆球尾流场明显偏离了中心轴(x轴),导致了侧向力的存在;球后有大尺度的规则涡从圆球表面脱落。     

偏工况下混流式水轮机压力脉动数值仿真及其改善措施研究

某电站混流式水轮机组在部分负荷时机组出力大幅摆动,真机试验结果显示尾水管涡带频率与发电机低频振荡频率接近,二者产生共振导致功率波动。本文采用CFD方法对该电站混流式水轮机进行了三维非定常数值模拟,对包括电站现用泄水锥、加长型泄水锥、在尾水管内安装阻尼栅、在尾水管内安装导流板等4种方案下水轮机内部非定常流动进行了仿真,对比分析了各种方案对尾水管内涡带形状和压力脉动的影响。计算结果表明:加长泄水锥能降低压力脉动的幅值,但不能改变压力脉动频率;相比于阻尼栅,在尾水管中安装导流板能更有效地改变尾水管水压力脉动的主频并减小压力脉动的幅值,且对水轮机效率的影响较小。     

混流式水轮机内部流动的计算

应用弱可压流理论、大涡模拟方法计算水轮机内部三维非定常湍流和有旋流的数学模型，并用三维欧拉方程程序直接计算速度、压力、涡量等原参数的时间渐进值，在多种工况下对混流式水轮机内部流动进行了模拟．