考虑对流效应的圆柱绕流气动噪声的预测

采用非稳态雷诺时均(URANS)方程求解圆柱绕流获得近场声源信息,同时运用考虑对流效应的频域声比拟方法,研究了圆柱绕流的气动噪声问题,并考察了不同来流马赫数对辐射声压的影响。结果表明:卡门涡的脱落导致圆柱阻力系数频率为升力系数频率的两倍;较大的升力系数脉动幅值产生了偶极子源,偶极子源在远场辐射声压中占主导作用,最大辐射声压垂直于来流方向;随着马赫数的增大,对流效应显著增强且辐射声压正比于马赫数的三次方。     

被动控制下双圆柱静止绕流与流致振动研究

采用非稳态RANS方法结合Spalart-Allmaras湍流模型,对高雷诺数下被动控制的串列双圆柱静止绕流和流致振动进行数值计算。详细分析柱体受力、流致振动特性及尾流旋涡形态,结果表明双圆柱静止时,上游圆柱St随Re增加而增大,下游圆柱St先增大后减少,在Re=60000时达到最大值;双圆柱产生流致振动时,上下游圆柱的振幅率变化曲线出现三个不同分支,包括涡致振动初始分支、涡致振动上部分支和驰振分支,圆柱驰振时的最大振幅达到了2.8D。     

非等温流向振荡单圆柱绕流的格子Boltzmann模拟

本文采用格子Boltzmann方法模拟对非等温横向振荡圆柱绕流(Re=100)进行模拟,详细考察振荡频率(F=f_o/f_s=0.2～8.0)、振幅(A/D=0.1～0.4,A为圆柱流向最大位移,D为圆柱直径)对绕流换热的影响。结果表明:低频率、低振幅流向振荡运动将使圆柱换热增强,高频率、高振幅振荡使圆柱换热效果减弱;圆柱表面平均N_u脉动均方根值随着振荡频率、振幅的增大而增大;在锁定区域内,平均N_u及其脉动均方根值均出现极大值。     

Reynolds数22 000的孤立方柱绕流的大涡模拟

方柱绕流是典型的钝体绕流问题,蕴含了丰富的流体力学现象,对这类流动的准确预测面临着诸多挑战.采用自主发展的大涡模拟程序,对来流Mach数M=0.3,Reynolds数Re_D=22 000的绕孤立方柱流动进行了细致模拟,亚格子模型使用动力涡黏模型.对计算结果的分析表明,大涡模拟所得的平均流场及Reynolds应力分布与已有实验数据和直接数值模拟结果均吻合较好,验证了预测结果的可靠性;在此基础上对瞬态流场进行了研究,展示了计算条件下方柱绕流分离转捩及尾迹区旋涡交替脱落形成Karman涡街的全过程,为更细致的流动机理探索奠定了基础.      

基于VLES模型的振动圆柱数值模拟

本文将一种VLES(Very Large Eddy Simulation)模型引入到动网格数值计算中,并验证了VLES模型用于模拟类似振动圆柱绕流的动边界问题的有效性。数值求解了不同振幅和频率下非稳态振动圆柱绕流问题。研究表明:随着振幅和激励频率的增加,绕圆柱流动涡脱离形式从2S模式转换到2P0模式,再到P+S模式。在高振幅和激励频率比fe/fs=0.95时,涡脱离形式却表现为2P0模式到P+S模式的过渡状态,振动圆柱在上升或下降过程中涡的脱离造成在每个周期升力曲线的左右侧发生不规则的"跳动"现象,尽管脱落涡可能为涡对或者单涡.     

低雷诺数下双向受迫振动圆柱尾涡结构分析

本文使用本团队自主开发的一款通用统一的流体力学计算软件UCFD,在Re=100和Re=500时对横、纵双向受迫振动圆柱绕流进行了数值模拟研究,研究发现了一些新的涡结构:在横向振动的基础上增加纵向振动后,在Re=100时,随着纵向振幅的增大,在某些工况下,圆柱的尾涡结构会在2P和P+S模式之间变化;当振动圆柱的纵向振幅增大至0.8D后,圆柱一周期脱落涡可达到5个;Re=500时,随着纵向振幅的增大,圆柱尾涡的2S与P+S结构分布逐渐减少,2P结构分布逐渐变多;当振动圆柱的纵向振幅增大至0.6D后,在某些工况下圆柱一周期脱落5个涡。     

次声频脉动流横掠圆柱体传热实验研究

为研究次声频脉动流中圆柱体对流换热的特性,搭建了脉动流强化传热实验台架,研究了不同脉动频率(f=6~20 Hz)的脉动流横掠圆柱体的对流换热问题,脉动波的有效压力振幅Prms固定为22 Pa。结果表明:低频小振幅的脉动流横掠热圆柱体时,对流换热相对努塞尔数随着频率的降低线性增大,最大值可达4.0以上;辐射热流率占总热流率的比例随着频率的降低而呈指数下降。     

纵向受迫振荡圆柱绕流问题的数值模拟

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、4000等几种亚临界雷诺数情况.通过研究不同振幅和振动频率下的流场结构和一些重要流动参数如升阻力系数、Strouhal数等随Re数、KC数、Stokes数的变化关系,验证了实验中观察到的一定条件下发生的"频率锁定"现象,并将涡脱落方式划分为三种主要模态.文中引入网格速度,对常用的处理速度与压力耦合的SIMPLE算法作了适当的补充和修改,以适应随时间变化的网格坐标.     

基于浸入式边界方法的串联双矩形柱绕流数值模拟

基于浸入式边界算法(Virtual Boundary Method)中力源反馈边界的思想,改进其原有内部流体处理方法以减少计算耗费,并结合非等间距网格以便工程应用计算,模拟雷诺数范围内(Re=200–10³)串联双矩形柱绕流,研究表明:Re=200–300时,前柱尾流涡脱处于双剪切层控制阶段;柱间涡街为Karman类涡街,在小间距条件下被抑制,形成涡环;前柱对后柱屏蔽效应体现为后柱阻力系数远小于前柱;临界间距时柱间涡街充分发展,后柱阻力系数等气动参数亦在此发生跃升,但仍小于前柱值;随雷诺数升高,尾流涡街尺寸缩小,临界间距及跃升幅度变小. Re=400时,前柱尾流涡脱进入冲击剪切层控制阶段,阻力系数不再呈现规律性振荡;此后随雷诺数升高,冲击剪切层逐步完善,前柱流动分离使其表面产生更多附着涡,导致尾流旋涡尺寸进一步减小,屏蔽效应消失,涡脱更为剧烈,进而对后柱产生脉动冲击效应;适当间距比条件下此类脉动冲击效应使得后柱阻力系数发生跃升,并略高于前柱. 关键词： 浸入式边界算法 串联双矩形柱 屏蔽效应 临界间距     

方柱-弹性分隔板涡致振动数值研究

本文开发了基于有限体积法的流固强耦合大变形求解器,流体采用ALE动网格技术,固体采用修正拉格朗日模型进行求解。研究100≤Re≤1000范围内,方柱-弹性分隔板的涡致振动特性及其尾流脱涡特性。结果表明:弹性分隔板阻断尾流区剪切层的相互作用,使钝体阻力减小,旋涡脱落至下游;随着雷诺数的增加,方柱和分隔板的升力系数与振幅逐渐增大;弹性分隔板的斯特努哈尔数明显较小,能够更好地抑制尾流区剪切层间的相互作用.     

均匀流中近壁面垂直流向振荡圆柱水动力特性研究

对均匀来流下靠近壁面处在垂直流向做强迫振荡运动的光滑圆柱的水动力特性进行了试验研究. 试验在拖曳水池中进行, 雷诺数为2× 10⁵, 通过采集顺流向和垂直流向的力, 得到了阻力系数、升力系数、相位角等与间隙比、振荡频率和振幅之间的关系. 通过研究得到如下结论: 1)振荡圆柱的平均阻力系数在近壁面处随间隙比的减小而骤降; 2)振荡圆柱泄涡受到完全抑制的临界间隙比要小于静止圆柱; 3)近壁面的存在对振荡圆柱的能量传递有着重要的影响, 自由边界圆柱强迫振荡所得到的水动力系数不能用来预报海底管道的涡激振动; 4)对于振荡圆柱, 附加质量系数只有在一定的频率范围内才是定值, 且在低频率区域其绝对值随间隙比减小而增大; 5)圆柱在进行强迫振荡时, 其平均阻力系数、振荡阻力系数和振荡升力系数均随无因次振幅的增加而增大. 关键词： 海底管道 强迫振荡 水动力特性 涡激振动     

可变周期谐波平衡法求解周期性非定常涡脱落问题

谐波平衡法是一种高效周期性非定常流动频域计算方法.本文研究可变周期谐波平衡法,通过求解Navier-Stokes方程模拟低速不可压条件下的二维钝体绕流周期性非定常涡脱落问题.对于这类流动变化周期未知的非定常问题,将涡脱落周期T作为变量,采用基于残差导数的可变周期计算方法推进求解.以圆柱绕流和方柱绕流为例,研究考察了谐波平衡法的计算精度和效率,并分析研究了不同参数对计算结果的影响.针对圆柱绕流问题,采用三种不同优化方法进行周期T的迭代计算,对比研究了它们的计算精度和效率.计算结果表明:谐波平衡法采用3个谐波数就可以准确模拟周期性非定常涡脱落问题,辨识的涡脱落频率和阻力系数与实验值及其他数值结果一致,与时域方法相比该方法具有较高的计算效率.不同优化方法的计算结果相同,共轭梯度法和牛顿法的收敛速度与最速下降法采用较大搜索步长时的收敛速度一致.由于牛顿法没有参数问题,因此该方法在工程计算中更有优势.     

基于UGKS的过渡区方柱绕流数值研究

本文基于统一气体动理学格式(Unified Gas Kinetic Scheme,UGKS),对微尺度过渡区气体绕流方柱开展数值模拟研究,计算分析了Kn数对气体流动传热过程的影响规律。研究发现,随着Kn数增加,方柱壁面气体速度滑移和温度跳跃增大,壁面上压力、剪切力和热流也相应增大,方柱壁面-气体之间的换热得到强化;方柱对气体流动的阻碍作用减小,方柱前滞止区影响范围相对增大,方柱温度对柱后区域气体温度影响相对减小。     

脉动参数对波纹通道内传热强化的影响

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,数值研究了波纹通道内脉动流动与换热情况,流动Re数的范围为5~500,Pr数为0.7.计算考察了脉动参数如脉动频率和振幅对通道内强化传热和压力损失的影响.研究结果表明,流动阻力特性呈周期性余弦规律变化,换热Nu数呈正弦规律变化;频率、振幅的增大,使得阻力脉动幅度增大.受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着振幅的增大而增强,但在特定入口脉动流下,相同振幅不同频率下的强化效果几乎一致.     

串列平板叶栅尾迹速度场的LDA实验研究

绕流叶栅的尾涡脱落是诱发水力机械振动噪声的重要因素。本文以串列布置平板叶栅为研究对象,进行雷诺数Re=5000与10000下的叶栅绕流尾迹速度场的LDA测量实验,分析不同雷诺数下绕叶栅流场速度分布,探究涡脱频率特性。实验结果表明:同一雷诺数下平板尾迹区中心线上速度分布可分为回流区、快速增长区、缓慢增长区三个区域;双平板绕流场,下游平板的存在明显抑制了上游平板尾迹的发展,与单平板模型比回流区流向长度减小;雷诺数从5000增大到10000时,平板尾迹回流区的流向长度变小,但最低流速分布升高;下游平板的存在抑制了上游平板的涡脱,使其频率降低,上、下游平板涡脱频率一致。     

串列平板叶栅尾迹速度场的LDA实验研究

绕流叶栅的尾涡脱落是诱发水力机械振动噪声的重要因素。本文以串列布置平板叶栅为研究对象,进行雷诺数Re=5000与10000下的叶栅绕流尾迹速度场的LDA测量实验,分析不同雷诺数下绕叶栅流场速度分布,探究涡脱频率特性。实验结果表明:同一雷诺数下平板尾迹区中心线上速度分布可分为回流区、快速增长区、缓慢增长区三个区域;双平板绕流场中下游平板的存在明显抑制了上游平板尾迹的发展,与单平板模型相比回流区流向长度减小;雷诺数从5000增大到10000时,平板尾迹回流区的流向长度变小,但最低流速分布升高;下游平板的存在抑制了上游平板的涡脱,使其频率降低,上、下游平板涡脱频率一致。     

疏水表面减阻的格子Boltzmann方法数值模拟

采用格子Boltzmann方法的多松弛模型和Shan-Chen多相流模型对雷诺数为100的疏水表面方柱绕流进行了数值模拟, 分析了疏水表面接触角和来流含气率对方柱绕流流场的影响. 研究结果表明: 疏水表面接触角一定时, 来流含气率在一定范围内, 疏水表面具有减阻的能力, 超出这一范围时会出现阻力系数、升力系数升高的现象, 同时在方柱近壁面处伴随涡的形成产生了气团脱落; 当来流含气率处于适当水平时, 接触角越大, 绕流物体近壁面处含气率越稳定, 减阻效果越明显. 分析发现疏水表面减阻的关键在于保证近壁面处气层的稳定性, 此时接触角越大, 减阻效果越明显. 本文从含气率角度出发分析疏水表面的减阻现象, 为进一步探索疏水表面减阻机理提出了新的思路.     

基于直角网格法的单个和阵列布置下柔性水翼绕流数值模拟

研究柔性水翼在不可压缩流体中的水动力特性,对于船舵和减摇鳍等海洋结构物的设计和性能优化具有重要意义.本文将自主开发的径向基函数虚拟网格法求解器扩展到模拟绕单个或多个柔性水翼的不可压缩流动问题.数值模型基于虚拟网格有限差分法考虑浸入边界对流场的影响,引入紧支径向基函数(compact supported radial basis function,CSRBF)以物面Lagrangian质点追踪复杂的柔性动边界.基于该方法,首先模拟了均匀流中主动拍动的柔性水翼,升阻力系数良好的网格收敛性结果验证了本文方法的精度和可靠性.并研究了柔性水翼在不同振荡频率下的水动力特性,阐述了柔性水翼的推力生成机制.然后模拟了绕阵列布置柔性水翼的流动现象,研究了不同间距和不同振荡频率下水翼表面的升阻力系数变化规律和尾涡特性,观察到紧密布置的柔性水翼在高频振荡下推力系数存在显著的放大效应,同时推力为零时的临界频率提前.     

虚拟网格法模拟静止或运动并列布置双圆柱绕流现象

基于自主开发的虚拟网格浸入边界法求解器,数值模拟并列布置双圆柱绕流问题,分析了不同圆柱间距和振荡频率下双圆柱的水动力载荷和尾涡特性。数值算法采用时间半隐式有限差分虚拟网格法,在固定笛卡尔交错网格上求解不可压缩黏性Navier-Stokes方程。在虚拟网格法中,为了考虑任意多体边界对流场的影响,通过设置物体内的虚拟网格单元,采用适当的插值模块及技术重构虚拟网格,以施加浸入动边界条件。首先,数值模拟不同间距下并列布置双圆柱静止绕流问题,分析了不同间距对圆柱表面载荷和水动力特性的影响,捕捉到单涡脱落、偏斜流和双涡脱落等典型流动形态。其次,数值模拟自由流中并列布置圆柱振荡问题,验证了本文方法的精度和模拟多体动边界的准确性和可靠性。最后,分析了不同间距和不同振荡频率下双圆柱的水动力载荷变化规律,观察到不同振荡频率下偏斜流、双涡对称脱落和涡列融合等典型流动干扰现象。     

方柱绕流大涡模拟

采用有限体/有限元混合格式、非结构网格和大涡模拟方法求解可压缩的N-S方程,对Re=22 000的方柱绕流进行数值模拟,并对不同的边界条件进行详细的分析比较.通过对以往研究经验的总结和利用精细的边界条件,使得采用二阶精度的数值格式和较稀疏的网格仍然得到了令人满意的计算结果,甚至优于以往采用密网格的模拟结果.