基于(火积)耗散极值原理的管外流场优化

本文基于(火积)耗散极值原理得到了对流传热的优化场协同方程,用Fluent数值模拟求解层流状态下的管外流动换热的优化流场。得到了管外流动的优化速度场为多纵向涡结构形态,对优化流场进行分析,发现优化流场的综合换热效果远远高于原型流场。通过在管外添加扰流片的方法,来产生带有纵向涡的流场,达到优化管外流动传热的目的。数值模拟结果表明,添加扰流片在一定程度上可以强化管外对流换热。     

动态亚网格二阶矩湍流燃烧模型

在二阶矩亚网格燃烧模型的基础上,考虑了密度脉动,提出了动态亚网格二阶矩燃烧模型(Dynamic-LES-SOM)。在此模型中,反应项由平均反应项和亚尺度反应项组成,所有的系数都是通过动态计算得到。使用该模型对美国Sandia国家实验室Flame C进行了计算,并且与忽略密度脉动的二阶矩亚网格燃烧模型结果进行对比。结果发现,DynamicLES-SOM燃烧模型计算结果与实验值吻合得很好,较忽略密度脉动的二阶矩燃烧模型有所提高。     

转捩边界层中次生流向涡演化的数值研究

采用高精度直接数值模拟方法和高效的特征无反射边界条件,进行可压缩流转捩边界层中出现的次生流向涡演化的数值研究.精细的数值模拟结果清楚地揭示了转捩边界层的复杂流场中次生流向涡的形成和演化过程,探讨它对转捩至关重要的环状涡生成的影响,发现次生流向涡和主流向涡的共同作用形成环状涡的一种新机理.     

电磁力诱导二次流对微流体混合效果影响的研究

设计了一种微流道中液体混合的方法, 基于电磁力的作用, 诱导微流道中二次流动 发生, 从而产生Dean涡, 使流道中流体出现往复运动及流体界面的弯曲延伸, 使不 同流体的接触面积大大地增加, 从而提高混合效率. 对3种结构的工况进行了比较. 建立了微流道混合系统的理论模型并进行了数值模拟,对流体混合过程进行了分析并对混合效率进行了评价. 进行了验证性的试验研究, 对模拟结果与试验结果进行了比较, 结果相吻合.     

壁面对串列双圆柱尾迹影响的实验研究

为研究壁面对近壁等直径串列双圆柱尾迹特性的影响,用PIV和压力传感器测量尾迹湍流的涡结构及频谱.实验在循环水槽内进行,基于圆柱直径D的雷诺数为1696,壁面边界层厚度为6.6D.影响尾迹流场结构的两个重要的特征参数是T/D和G/D(T为两圆柱中心间的距离,G为圆柱下表面与壁面间的距离),文中主要考察G/D的影响.实验中...     

串列布置三圆柱涡激振动频谱特性研究

对串列三圆柱体双自由度涡激振动问题进行了数值计算, 并分析了雷诺数、固有频率比和约化速度对串列三圆柱体结构动力响应及频谱特性的影响. 研究发现: 雷诺数、频率比对上游圆柱的振幅和流体力系数的影响较小. 中游圆柱频率锁定区域随着雷诺数的增大而增大, 其动力响应受上游圆柱尾流的影响较大, 但频率比的影响较小. 同时, 流体力系数在约化速度较小时受雷诺数和频率比的影响较大. 另外, 下游圆柱的振幅和流体力系数受雷诺数及频率比的影响较大. 雷诺数、频率比和约化速度对圆柱流体力系数能量谱密度(PSD)曲线中主峰幅值、频谱成分及波动性的影响较大. 流体力系数PSD曲线波动性的增强, 导致圆柱运动轨迹会从"8"字形转变成不规则形状. 当频率比为2.0时, 上游圆柱尾流出现P$+$S模式, 导致其发生非对称运动, 且升、阻力系数PSD曲线主峰重合. 最后, 激励荷载平均功率值随约化速度的变化趋势与对应的结构动力响应的变化类似. 在同一约化速度区间内, 结构振动响应的强弱与位移的平均功率值成正比. 对不同约化速度区间内的升力系数功率谱密度分析时, 振动频率比($f_{s}/f_{n, y})$对结构振动响应的影响更大.      

基于雨燕翅膀的仿生三角翼气动特性计算研究

针对低雷诺数微型飞行器的气动布局, 设计出类似雨燕翅膀的一组具有不同前缘钝度的中等后掠($\varLambda =50^{\circ}$)仿生三角翼. 为了定量对比研究三角翼后缘收缩产生的气动效应, 设计了一组具有同等后掠的普通三角翼. 为了深入研究仿生三角翼布局的前缘涡演化特性以及总体气动特性, 采用数值模拟方法详细地探索了低雷诺数($Re=1.58\times 10^{4})$流动条件下前缘涡涡流结构和气动力随迎角的变化规律. 分析结果表明, 前缘钝度和后缘收缩对仿生三角翼前缘涡的涡流强度和涡破裂位置有显著影响. 相对于钝前缘来说, 尖前缘使仿生三角翼上下表面的压力差增大, 涡流强度也更大, 增升作用也更显著. 相对于普通三角翼构型, 仿生三角翼的前缘斜切使其阻力更大, 但后缘的收缩使涡破裂位置固定在此位置, 因此整个上翼面保持低压, 总的升力更大. 由于小迎角时升力增大更明显, 因此仿生三角翼的气动效率在小迎角时明显大于普通三角翼. 这些结论对于揭示鸟类的飞行机理以及未来微型仿生飞行器的气动布局设计具有重要的研究价值.      

斑海豹胡须涡激振动及其尾流循迹机理直接数值模拟

在视力和听力受到限制的条件下, 斑海豹可以通过具有特殊外形的胡须识别和追踪水中游鱼的尾迹. 从仿生学的角度, 对斑海豹胡须在尾迹流场中的振动特性和循迹机理进行研究, 有助于开发研制新型水下探测器. 本文采用嵌入式迭代浸入边界法,在雷诺数$Re=300$和折合流速$U_{\rm r}=6.0$的条件下, 对均匀流场和尾迹流场中斑海豹胡须模型的涡激振动进行直接数值模拟,研究了胡须模型的振动特征和尾涡结构, 并与具有相同等效直径的圆柱、椭圆柱的振动响应进行对比, 分析了不同结构外形对振动特性和尾涡结构的影响, 探讨了斑海豹胡须的感知能力和循迹机理. 模拟结果表明, 胡须结构具有显著的减阻、抑振作用, 在均匀流场中做微幅混沌运动, 这为斑海豹胡须感知提供了纯净的信号背景. 而在尾迹流场中,胡须结构的振动响应显著增强, 稳定且周期性好, 与其他柱体相比, 具有更高的信噪比和敏感度. 这揭示了斑海豹利用胡须振动识别和追踪水中游鱼尾迹的机理, 对于开发研制新型水下探测器具有重要借鉴意义.      

空化对叶顶间隙泄漏涡演变特性及特征参数影响的大涡模拟研究

利用大涡模拟方法及一个考虑气核效应的欧拉$\!-\!$拉格朗日新空化模型, 对绕NACA0009水翼叶顶间隙泄漏涡(top-leakage vortex, TLV)及其空化流动开展了高精度的模拟, 结果显示数值模拟与实验吻合较好. 在此基础上进一步讨论了不同间隙大小对TLV空化的演变行为及其发生前后TLV强度、气核分布以及切向速度分布等特征参数的变化规律, 分析了TLV空化对TLV演变行为及其特征参数的影响机制. 结果表明, 空化发生后, TLV的强度主要受片空化演变行为的影响, TLV空化对其自身强度的影响较小. 此外, 间隙越小, 片空化越不稳定, TLV的强度也会呈现相应的准周期性波动. 随着间隙的逐渐增大, 片空化强度逐渐减小, 其不稳定性也逐步减弱, TLV强度逐渐恢复至无空化时的水平, 其波动也会逐渐减小. 空化对涡心处气核分布会产生较为明显的影响, 其影响程度取决于空化发生后TLV在空间上的稳定性以及TLV空化的强度. 此外, 空化发生后, TLV半径会在一定程度上增大, 且在空化区域外围形成``类刚体旋转'的切向速度分布特性, 其形成原因主要是空化生长引起的膨胀过程以及流动的黏性作用.      

剪切流场中含内流立管横向涡激振动特性

立管是海洋工程中输送油气或其他矿产资源的必备结构, 外部洋流引起的立管涡激振动影响着立管的疲劳寿命, 危害深海资源开发. 本文基于欧拉?伯努利梁方程, 结合半经验时域水动力模型, 建立剪切流与内流耦合作用下海洋立管涡激振动预报模型, 运用有限元方法和Newmark-β逐步积分法求解方程, 首先将数值模拟结果与实验数据进行对比, 验证模型正确性. 然后, 运用此模型, 对剪切流作用下含内流的顶张立管在不同内流速度和密度下的横向涡激振动响应特性进行研究, 主要分析了立管的横向振动模态、振动频率以及均方根位移等涡激振动参数随内流速度和密度等参数的变化规律. 结果表明, 在剪切流场中, 含内流海洋立管在横向上表现出多模态多频率的涡激振动;立管横向振动的最大均方根位移随内流速度和密度的增大而增大, 特别是当内流速度较大时, 横向最大均方根位移增大明显;立管横向振动的主导频率随内流速度和密度的增大而减小, 并且内流密度的增大同样会引起模态转换和频率转换.