串列双圆柱绕流问题的数值模拟

本文运用有限体积方法,对绕串列放置的双圆柱的二维不可压缩流动进行了数值计算。为研究两圆柱不同间距对圆柱相互作用和尾流特征的影响,选取间距比Ｌ／Ｄ（Ｌ为两圆柱中心间的距离,Ｄ为圆柱直径）在１．５～５．０之间每隔０．５共八个有代表性的间距进行了计算模拟。计算均在Ｒｅ＝２００条件下进行。计算结果表明：对该绕流问题,流动特征在很大程度上取决于间距的大小。且间距存在一临界值,间距比从小于临界值变化到大于临界     

方柱绕流的数值模拟

采用有限差分法,对雷诺数为2.2×10~4的方柱绕流进行了大涡模拟(简称LES)。运用时间分裂控制(Split-Operator)法,将N-S方程分为对流步、扩散步和传播步。对Smagorinsky假设在近壁区的发散问题用两层模型进行处理。对流项用迎风—中心差分格式模拟,压力方程用SOR法迭代求解。计算得到的沿对称线的时均顺流向速度与文献上的实验结果进行了比较,结果吻合较好,同时还对绕方柱流的流场结构进行了分析研究。     

绕流直接数值模拟误差分析

对于无边界绕流问题的计算流体力学模拟通常是将物体置于“足够大”的槽道中,而通过不断改变槽道尺寸以及离散网格密度,后验对比方式来检查模拟误差。本文结合多种经典流场理论,提出一种简单的先验误差估计方法来确定槽道尺寸以及相应的网格分布。在此方法中,对于槽道尺寸的确定基于线性叠加原理（即在极小雷诺数下采用Stokes理论解叠加,而在其他雷诺数条件下采用势流理论解叠加）,来估计槽道尺寸对绕流结果的影响。而对网格尺寸与分布,则是使用多项式逼近中的基本误差分析工具,应用到速度边界层,远场势流,以及Rankine涡等简单流动,从而确定整个绕流问题中的离散误差。为了验证前面的理论分析结果,本文模拟了相当大雷诺数范围内的二维翼型以及三维圆球绕流,所得数值结果非常好地验证了理论分析。结果表明,对于Stokes流动问题,槽道尺寸需要大约100倍于物体特征尺寸来保证其结果与无边界绕流相差不超过1%;而在雷诺数超过大约100时,槽道尺寸只需10倍（二维绕流）或者5倍（三维绕流）于物体特征尺寸来达到同等精度。在此先验误差估计方法可应用于一般化的绕流问题。

     

高亚临界雷诺数圆柱绕流的尺度自适应模拟

借助γ-Re_θ转捩模型,实现了高亚临界雷诺数（Re=1.4×105）下圆柱层流分离流动的尺度自适应模拟.统计平均结果表明数值计算和实验测量较为接近,尤其在圆柱后半段的分离区中,压力系数和实验符合得很好,误差主要源于分离点预测的不准确. 瞬态流动则显示,层流分离的剪切层中出现了展向不稳定,且在向下游的输运过程中不断增强,最后转捩为完全湍流. 在湍流分离模拟中,由于缺乏剪切层失稳的非定常性,SST-SAS 模型的尺度分辨能力变弱,因此在分离区以及下游尾迹中求解出的湍流尺度要明显较层流分离时大.      

并列双圆柱绕流特性和互扰效应数值模拟研究

基于CFD方法,对不同间距比(1.25≤T*≤5)下的二维双圆柱绕流进行了数值模拟研究.初步研究结果表明:当1.25＜T*≤2.2时尾流不能达到稳定,两圆柱交替对下游流场起主导作用;当T*＞2.2时尾流能达到稳定且上下侧圆柱涡的脱落出现同步,即流场趋于稳定的临界值为T ≈2.2.进一步研究发现:当2.2＜T*≤3.3时...     

分块法研究圆柱绕流升阻力

使用新的分块耦合方法，分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值模拟．对于单圆柱绕流，低Re下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近．对于串列双圆柱绕流，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，计算结果与实验非常吻合，为进一步研究涡致振动提供了依据．     

亚临界雷诺数下圆柱绕流的大涡模拟

本文应用Smagorinsky涡粘性模式和二阶精度的有限体积法对圆柱绕流的流场进行大涡模拟．求解了非正交曲线坐标系下的N-S方程,对雷诺数为100和20000的工况进行了计算．计算结果与实验及动力涡粘性模式的结果进行了比较,表明计算对于层流及高亚临界雷诺数的湍流流动是合理的     

并列圆柱绕流的格子Boltzmann数值模拟

采用非均匀不可压格子Boltzmann模型对低雷诺数下并列圆柱绕流进行了数值模拟,给出了数值计算结果,分析了间距g对圆柱尾流及升力、阻力的影响,并在此基础上得到了4种尾迹模式.此外,研究了流场的初始扰动对流动分岔现象的影响,发现在适当的扰动下可以很快得到同步同相的尾流.对Re=160和200下圆柱的升、阻力进行了对比,结果表明升力和阻力受间距g的影响大于雷诺数.     

混合层绕流圆柱旋涡脱落的数值研究

对平面混合层绕流圆柱时的旋涡脱落和流动结构进行了数值研究。方法是用一空间、时间三阶精度的有限差分格式解二维不可压Navier-Stokes方程和连续性方程。计算时雷诺数Re取为1000,混合层速度比Ra从0到1,混合层动量厚度θ由0.2到2。     

流向磁场下球形气泡绕流的线性稳定性分析

电磁冶金中氩气通常作为动力和载体将脱硫剂、脱氧剂吹入到液态金属中,因此存在磁场环境下气泡在液态金属中自由运动的问题,而绕流作为自由运动的特殊形态,是研究自由运动问题的第一步.本文通过有限元方法研究流向磁场作用下球形气泡绕流的全局线性稳定性,讨论基本流对时间-方位角模态小扰动的响应,发现了8个不稳定的驻定模态,并绘制它们在Re-Ha参数平面的中性曲线.结果显示方位角波数m=1的驻定模态首先导致第一次常规分岔,该模态已被广泛证实为轴对称绕流中最不稳定的模态,使轴对称尾迹转变为由一对反向旋转涡组成的单平面对称尾迹.同时第一次分岔的中性曲线展示磁场对球形气泡绕流先失稳后致稳的作用.后续分岔依次由定模态导致.这些分岔为认识磁场环境下气泡绕流的尾迹结构提供重要的参考价值.     

DIRECT NUMERICAL SIMULATIONS ON THE TURBULENT FLOW PAST A CONFINED CIRCULAR CYLINDER WITH THE INFLUENCE OF THE STREAMWISE MAGNETIC FIELDS1)

绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下$Re=3900$的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大, 流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型, 并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数($Ha$)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强, 近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.     

NUMERICAL STUDY OF THE BLOCKAGE EFFECTS ON VISCOUS FLOW PAST A CIRCULAR CYLINDER

In various numerical solutions of flow around bluff bodies the unbounded physical domain is replaced by a restricted computational one whose extent depends on the size of the computational grid network. The truncation of the solution domain in the cross-flow direction reduces the computer time required for the solution, but introduces numerical blockage effects which influence considerably the values of the various flow parameters. In the present paper the finite element solution of steady and unsteady flow around a circular cylinder at Re=106 is presented for blockage ratios of 0·05, 0·15 and 0·25. A boundary condition was tested for which the streamfunction values at the outer boundaries were those of the irrotational solution around a circular cylinder. The size of the standing vortices decreases with the blockage ratio when the flow is steady, while the spacing of the vortices decreases in both directions with increasing blockage ratio when the wake becomes unsteady. The hydrodynamic forces on the cylinder and the Strouhal number are magnified as the blockage ratio increases. The application of the streamfunction values derived from the irrotational solution at the outer boundaries reduced blockage effects only at high blockage ratio.     

A NUMERICAL STUDY OF FLOW PAST A ROTATIONALLY OSCILLATING CIRCULAR CYLINDER

Vortex shedding from a rotationally oscillating circular cylinder in a uniform flow is studied by numerical solutions of the two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations using primitive variables. To demonstrate the viability and accuracy of the method, we calculate the approach flow past a rotating cylinder with constant angular velocity. For approach flow past a rotationally oscillating cylinder, the object of the study is to examine the effect of oscillating rotation on the flow structure. In the present study, some basic patterns of vortex shedding can be identified according to our calculated results and are in good agreement with available experiments. In addition, the influence of the oscillating frequency and amplitude on the forces acting on the cylinder is also investigated.     

均匀来流中旋转圆柱黏性绕流的数值研究

从不可压非定常Ｎ－Ｓ方程出发，首次数值求解了均匀来流中圆柱作周向旋转振荡的黏性绕流问题。探讨了旋转角速度振幅、振荡频率及Ｒｅ数等因素对流场结构及其非定常演化过程的影响，并根据计算结果，给出了在旋转振动频率。速度振幅平面内流场涡结构的分区图。     

均匀来流中旋转圆柱黏性绕流的数值研究

从不可压非定常Ｎ－Ｓ方程出发，首次数值求解了均匀来流中圆柱作周向旋转振荡的黏性绕流问题。探讨了旋转角速度振幅、振荡频率及Ｒｅ数等因素对流场结构及其非定常演化过程的影响，并根据计算结果，给出了在旋转振动频率。速度振幅平面内流场涡结构的分区图。     

紧致插值曲线方法在流向强迫振荡圆柱绕流中的应用

利用紧致插值曲线(constrained interpolation profile method in Zhejiang University, CIP-ZJU) 数学模型, 对低科勒冈-卡朋特(Keulegan–Carpenter) 数KC 静止流体中振荡圆柱以及雷诺数Re = 200 时流向强迫振荡圆柱绕流进行了数值模拟. 模型在直角坐标系统下建立, 采用紧致插值曲线方法作为流场的基本求解器离散了纳维-斯托克斯方程, 基于多相流的理论实现流固耦合同步求解, 利用浸入边界方法处理固体边界. 模拟结果与现有文献结果进行比较, 二者吻合情况较好, 验证了此方法对于计算复杂流动问题的可靠性.      

APPLICATION OF THE LES METHOD TO THE OSCILLATING FLOW PAST A CIRCULAR CYLINDER

The oscillating flow of an incompressible fluid over a circular cylinder is investigated by solving the vorticity/stream-function version of the two-dimensional Navier Stokes equations using a finite-difference Large Eddy Simulation (LES) method. Two different subgrid scale (SGS) models are tested. They are the classical Smagorinsky model and Yoshizawa's Two-Scale Direct-Interaction Approximation (TSDIA) model, both of which require the input of constants in the specification of the subgrid scale viscosity. In addition, a solution was obtained with no subgrid scale model for comparison purposes. Yoshizawa's model is based on the combination of Kraichman's Direct Interaction Analysis (1964) with the separation of scales of mean (grid scale) and fluctuating (subgrid scale) fields. This TSDIA model has the length scale as a function of space and time so that it incorporates the effects of local time rate of change and advection of the resolvable field. Both models are applied to the classical problem of an oscillating two-dimensional flow over a circular cylinder at various KC values atβ =1035.Calculated lift and in-line force coefficients compare favorably with available experimental data for KC≤2 with the best solutions developed from the Yoshizawa model. The solution for KC>2 demonstrates that the two-dimensional model is inadequate to describe the flow accurately.     

弹性支撑圆柱绕流稳定性分析

基于CFD 技术,采用系统辨识方法,建立了亚临界雷诺数(Re < 47) 下绕圆柱流动的非定常气动力模型(reduced order model, ROM). 耦合结构运动方程和降阶气动力模型,建立了弹性支撑圆柱绕流的稳定性分析模型. 算例分析了亚临界雷诺数下,结构固有频率、质量比等参数以及支撑方式对弹性系统稳定性的影响. 对于单自由度横向支撑圆柱,当结构固有频率趋近流动最不稳定模态频率时,弹性系统会在一定频率范围内失稳,这种现象最低可在Re~20 时出现. 旋转自由度的释放能够进一步降低系统的稳定性,可将临界雷诺数进一步降低至18 左右. ROM 方法不仅具有很高的效率,而且清晰地指出了弹性系统失稳的根本原因:流动模态和结构模态耦合作用导致结构模态失稳所致. 因此,失稳状态下系统振荡频率锁定于结构固有频率. 基于ROM 技术预测的失稳边界与直接CFD/CSD 仿真结果吻合,证明了该方法的正确性和精度.