展向喷嘴湍流横向射流大涡模拟及其统计分析

采用大涡模拟方法数值模拟了展向椭圆喷嘴的湍流横向射流,对其大尺度结构的时空演化和湍流脉动速度场的时间序列分析、频谱分析、PDF分析以及时、空截面上的统计平均特性进行分析.结果表明,在射流出口附近的下游核心区中速度脉动剧烈,显现出明显的湍流特征.除了三维涡环脱落、扭曲、变形、摆动所对应频率之外,还存在很宽的湍流基频,它与在喷嘴出口附近产生的三维涡环的时空演化过程密切相关.由于展向椭圆喷嘴的湍流横向射流中的三维涡环快速脱落和强相互作用导致射流尾迹中的强湍流脉动,展向椭圆喷嘴湍流横向射流的PDF空间演化特征结构复杂.在射流核心区的湍流偏应力变化平缓,其统计平均值分布接近左右对称.展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度场具有极为复杂的统计行为,与流向椭圆喷嘴相比具有更好的掺混能力.     

波流场中的桩柱结构地震反应研究

采用理论分析及有限元模拟的方法, 对波流场中桩柱结构的地震动力反应进行了研究. 除考虑波流场作用在桩柱上的波流力和动水压力外, 根据模型试验结果认为还需考虑作用在 桩柱上的涡振横向力. 通过地震作用下波流场中四桩平台的有限元模拟计算, 发现 水中地 震放大了桩柱结构的动力反应; 波流力和涡振横向力共同作用导致桩的相对位移、剪力及弯 矩值大幅提高, 但是对桩身加速度影响较小; 桩底部位易于发生地震破坏.     

双柱体绕流中高度变化对其阻力的影响

对三维槽道内双柱体可压绕流进行了大涡模拟,揭示了绕流过程中柱体表面分离涡的生成、扩散与相互作用过程,并且数值模拟了两个柱体高度(阻塞比)的变化对整个流场的影响以及两柱体阻力系数的变化情况。结果表明,当两个柱体高度同时增加时,上游柱体阻力系数的大小以及下游柱体阻力系数的振幅都急剧变大,这是工程领域中所不期望的。而当仅增加下游柱体高度时,上游柱体阻力系数会略有降低,下游柱体阻力系数虽有增加,但仍小于前种情况的上游柱体阻力系数,且其振幅相对较小,因而有利于改善两柱体总体受力情况。     

串列双锥柱绕流流动特性的大涡模拟研究

利用大涡模拟研究了雷诺数Re = 3900下串列双锥柱在间距比L/D_m = 2 ~ 10下的升阻力特性及三维流动结构. 研究发现: 上游锥柱在后方形成的两个展向不对称回流区, 使其后方压力分布不对称. 上游锥柱发展的上洗、下洗和侧面剪切层作用在下游锥柱的附着点位置不同是上游和下游锥柱时均阻力系数和脉动升力系数变化的主要原因, 串列双锥柱间流动结构随间距比变化可分为三种状态: 剪切层包裹状态, 过渡状态及尾流撞击状态. 剪切层包裹状态. 上游锥柱的自由端主导来流在下游锥柱迎风面影响范围广, 上游锥柱剪切层完全包裹住下游锥柱, 从而抑制下游锥柱后方回流区形成, 导致下游锥柱时均阻力系数降低; 尾流撞击状态; 上游锥柱尾流得到充分发展, 其回流区大小随间距比增大不再发生变化, 上游锥柱尾流出现周期性脱落, 撞击在下游锥柱表面, 从而使脉动升力系数大幅增加, 最大脉动升力系数较单直圆柱提升约20.7倍; 过渡状态, 此时时均阻力系数和脉动升力系数均会较剪切层包裹状态增加. 该研究可以为风力俘能结构群列阵布局提供理论支持.      

利用O型环抑制圆柱绕法流涡脱落的数值研究

圆柱绕流涡脱落诱发较大的振动和声,如何有效地抑制值得关注.利用大涡模拟技术求解了Navier-Stokes方程,得到了涡脱落频率,升力脉动幅值及平均阻力系数.计算表明二维模拟不能体现流动基本特征,三维计算与实验吻合较好.为了抑制涡脱落,在直径为D的圆柱表面装入间距为1D,直径为0.0167D的O型环.通过升力、速度谱分析以及柱向横截面流场分析可知,在光滑圆柱外表面加入O型环能诱发流体边界层分离,有效地抑制涡脱落现象,升力脉动和观测点速度脉动幅值几乎完全消失,阻力系数也略微降低,适合在实际工程中采用.     

利用O型环抑制圆柱绕流涡脱落的数值研究

圆柱绕流涡脱落诱发较大的振动和声,如何有效地抑制值得关注。利用大涡模拟技术求解了Navier—Stokes方程,得到了涡脱落频率,升力脉动幅值及平均阻力系数。计算表明二维模拟不能体现流动基本特征．三维计算与实验吻合较好。为了抑制涡脱落,在直径为D的圆柱表面装入间距为1D．直径为0．0167D的O型环。通过升力、速度谱分析以及柱向横截面流场分析可知．在光滑圆柱外表面加入O型环能诱发流体边界层分离,有效地抑制涡脱落现象．升力脉动和观测点速度脉动幅值几乎完全消失,阻力系数也略微降低,适合在实际工程中采用。     

单窄条控制件对横向振荡柱体尾流 2P模式 旋涡脱落的改变

横向强迫振荡柱体尾流控制是柱体涡激振动控制的基础,在海洋、土木等工程中具有重要意义. 横向强迫振荡柱体尾流中存在一种锁频旋涡脱落模式,即在一个振荡周期内柱体上、下侧各脱落旋转方向相反的一对涡,称为2P模式. 本文将相对宽度b/D=0.32的窄条控制件置于横向强迫振荡柱体下游,对振幅比A/D=1.25, 无量纲振频f_e D/V_∞=0.22,雷诺数Re=1 200的2P模式旋涡脱落进行干扰,并通过改变控制件位置,研究旋涡的变化规律. 采用二维大涡模拟和实验验证方法进行研究,在控制件位置范围0.8≤X/D≤3.2, 0.4≤Y/D≤3.2内,得到了2P, 2S, P+S和另外6种新发现的旋涡脱落模式,并对各模式旋涡的形成过程作了详细描述. 在控制件位置平面上给出了各旋涡模式的存在区域,画出了旋涡脱落强度的等值线图,并发现在一个相当大的区域内,旋涡脱落强 度可减小一半以上,尾流变窄. 发现柱体大幅振荡引起的横向剪切流在旋涡生成中起关键作用. 探讨了控制件对横向剪切流的影响,分析了控制件在每种旋涡模式形成中的作用机制.      

应用PIV对角区非定常马蹄涡结构的实验研究

利用PIV技术研究了柱体与平板层流边界层角区的非定常流动结构,流动显示和PIV测量均 表明角区存在3种非定常的马蹄涡模态,即绕合模态、脱落-绕合模态以及脱落-耗散模态, 一定$Re$数下主涡脱落后既可能表现为脱落-绕合模态,也可能表现为脱落-耗散模态. 这主 要取决于模型头部形状对涡轴造成的拉伸以及耗散和扩散程度. PIV测量表明,随雷诺数增 加主涡下方从壁面喷发的反向二次涡逐步增大形成强度和尺度较大的``涡舌', 该``涡舌' 将突入整个涡系所在的边界层,最终将主涡与上游涡系隔离并使其从旋涡生成区涡系脱落. 马蹄涡非定常摆动时具有较复杂的奇点形态组合和演化,反映涡轴受到了交替的拉伸和压缩 作用.     

三维不等直径串列圆柱绕流的双涡脱落流态频率特征研究

采用大涡模拟方法计算Re=2×10~3三维不等直径串列圆柱(d/D≤1)绕流问题。结果显示,处于双涡脱落流态时,随着串列圆柱间距增加,上游圆柱量纲为一的涡脱频率值St₁总体上升,而下游圆柱量纲为一的涡脱频率值St₂存在先下降后上升的变化规律。在圆柱间距较小的情况下,St₂随着串列圆柱间距的增加而减小,量纲为一的涡脱频率比值、直径比与间距比之间近似满足St₂/St₁∝(L/D)^-1/4(d/D)的幂指数关系;在圆柱间距较大的情况下,圆柱间时均流向速度提高并趋近主流区速度,St₂随间距比增加而上升。在较小直径比串列圆柱情形下,下游圆柱量纲为一的涡脱频率St₂可下降至更低的临界拐点,从而产生“次谐波涡脱锁定”现象。     

明渠层流近床面颗粒拖曳力研究

泥沙颗粒受到的拖曳力是泥沙运动的主要驱动力，而当前应用于计算流体力学-离散颗粒法(CFD-DPM)耦合模型进行水沙运动模拟的泥沙颗粒拖曳力公式均没有考虑明渠流底床边壁作用的影响。求解不可压缩Navier-Stokes方程，对明渠层流不同雷诺数条件下床面附近不同高度处颗粒所受拖曳力进行了模拟，根据模拟结果变化规律，提出了综合考虑床面和水流惯性对标准拖曳力影响的修正拖曳力计算公式。与常用的单颗粒标准拖曳力公式和考虑遮蔽效应的多颗粒拖曳力公式相比，采用本文修正公式得到的水沙作用力更接近高精度数值解，应用于CFD-DPM输沙模拟获得的输沙结果与输沙率公式结果一致，应用分析表明输沙模拟应当采用粗糙底床边界。