流向磁场作用下圆柱绕流的直接数值模拟

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.      

小Kc数振荡流中圆柱绕流流场结构的数值分析

本文综合Chorin的涡方法、网格涡方法和泊松方程快速解法的优点,采用固定离散涡的数目和位置,随时间变化调整离散涡强度的计算方法,对Kc数在1到5之间,β数在10到1665之间圆柱在振荡流动中的流场结构进行了数值模拟。并与U型振荡水槽中的流场涡结构显示照片比较,计算结果表明,数值解在稳定性和收敛性方面都是比较好的。与显示照片相比,其符合程度也是令人满意的。     

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     

电磁极宽度对圆柱绕流场影响的数值分析

在雷诺数Re=200的情况,利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,在各种电磁力作用参数和电磁极宽度的组合下,对表面覆盖电磁极圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果表明,当电磁极宽度较小时,圆柱体绕流场的分离点越容易接近后驻点,而电磁力对总阻力的影响并不明显,但对压差和摩擦阻力均有明显影响.当电磁极宽度较大时,圆柱体尾部区域越容易产生射流现象,而且总阻力随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而减小.在电磁力尚不足以完全抑制周期性涡脱落的情况下,升力幅值随电磁力作用参数增大而减小,但随电磁极宽度则先减小后略有增加,升力脉动频率则均随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而增加.研究表明,电磁力可以有效地改善圆柱体绕流场结构,达到减小圆柱体阻力并抑制其脉动升力之目的,因此是圆柱型结构的一种有效流动控制手段.     

纳米尺度圆柱绕流尾迹区流动形式模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,对微尺度低{Re}数下的圆柱绕流问题进行了研究,模拟结果表明:当{Re}<12时,圆柱下游形成对称、无分离的定常流;当{Re}>20时,圆柱下游形成周期性交替出现的对称涡;当12相似文献   

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.      

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.     

圆柱绕流的非线性动力学

本文利用非线性动力学的概念和方法来研究粘性不可压缩流体的二维圆柱绕流问题．计算了定常流失稳以及出现混沌的临界雷诺数，并估计了混沌解的一些统计特征．     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

流向强迫振荡圆柱绕流的涡脱落模态分析

通过求解采用ALE方法描述的运动坐标系Navier-Stokes方程组,分析均匀来流下雷诺 数为150的静止和流向振荡的圆柱绕流. 主要研究了强迫振荡频率和较大振幅比 (A/D=0.3-1.2)对圆柱升力、阻力变化特性以及涡脱落模态的影响. 研究表 明,流向振荡圆柱绕流存在多种涡脱落模态,如对称S以及反对称A-I, A-III, A-IV等多种形式;比较研究结果,拓展了各模态下对应的锁定区域,并将其分为5个 子区;A-I模态中圆柱受力较以前所知更复杂;通过分析计算结果,发现最大加速度 比Af_{c}^{2}/Df_{s0}^{2}可能是涡脱落模态(尤其是对称S模态)最有效的控制参数.     

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。     

SCALE ADAPTIVE SIMULATION OF FLOWS AROUND A CIRCULAR CYLINDER AT HIGH SUB-CRITICAL REYNOLDS NUMBER

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.     

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。     

圆柱绕流尾迹中相干结构对湍流特性的影响

实验研究了圆柱尾迹中相干结构对湍流平均量的影响.用一个X热线在距离圆柱体y/d=4测量参考信号,用X热线和冷线相结合的三线探头测量从x/d=10～40的圆柱绕流尾迹中的速度和温度脉动,用条件平均的方法研充圆柱绕流近尾迹中的相干结构,并对相干结构对动量和热量的湍流输运过程的影响进行初步分析.结果表明:相干结构对尾迹中速度的横向脉动影响最大;相干结构对湍流参数的影响随x/d的变化明显.该工作还对相干结构引起的湍动能产生率变成负和逆温度梯度输运现象做了定性的解释.     

激励Stuart-Landau方程的研究--周期解、稳定性及流动控制

解析得出了有外部激励的Stuart-Landau（S-L）方程的频率锁定周期解,对这些解与外部激励振幅和频率的依赖关系做了详细研究,并用周期系统稳定性理论确定了解的稳定性边界.还对S-L方程所描述的流动控制效果进行了研究,发现由于外部激励的作用,稳定的锁频解可能比原来的饱和解能量减少了,外部的控制最多能使扰动能量减少为原来的一半.     

绕旋转圆柱流动涡尾流结构和临界状态特性

采用作者提出的基于区域分解，有限差分法与涡法杂交的数值方法，结合高阶隐式差分格式，和以修正的不完全ＬＵ分解为预处理器的共轭梯度法作求解器，系统地研究了雷诺数Ｒｅ＝１０００，旋转速度比α∈（０．５，３．２５）范围内，绕旋转圆柱从突然起到充分发展，长时间内尾流旋涡结构和阻力，升力系数的变化规律，计算所得流动图案与实验流场显示符合很好。数值试验证帝了临界状态的存在，并首次给出了临界状态时的旋涡结构特性。     

带有新型涡激振动抑制罩的圆柱体的水动力特性

通过模型实验和数值模拟计算,研究了带有涡激振动抑制罩的圆截面柱体的水动力特性.模型实验主要测试了柱体上附加谐波型和类圆锥型涡激振动抑制罩的单摆结构在不同流速下发生涡激振动的性质;数值模拟则针对谐波型和圆锥型扰动,在雷诺数Re为102到105范围内,研究其水动力参数,如阻力、升力和涡脱落频率等,随扰动波长和波动强度的变化.模型实验结果表明,在直圆柱开始发生共振的流速下,带抑制罩的柱体的振幅显著降低,而在更高流速下则显著增大.数值模拟结果表明,谐波型和圆锥型扰动具有相似的水动力特性;且在不同Re时,阻力、升力和涡脱落频率具有相似的变化规律;随波动强度的增大,阻力一般逐渐增大,升力则在多数情况下先减小而后增大,而涡脱落频率一般逐渐减小.      

带扰流小槽道内单相流动阻力特性实验

采用水作为工质, 实验研究入口或出口端加入圆柱扰流的不同高宽比多槽道散热器的压降特性; 结果表明: 单位长度压降随雷诺数成线性关系. 提出了雷诺数、水力学直径和槽道高宽比的拟合准则; 拟合公式在实验数据误差范围内很好反应类似系统的流阻特性. 对于线切割小槽道, 其摩阻系数和雷诺数成反比, 且较圆管理论值偏大; 对线切割槽道阻力特性分析发现, 表面粗糙度是其最主要的影响因素, 而扰流对其影响较小; 在槽道前部设置扰流柱可以增强换热.      

倾斜非均匀磁场下导电方管磁流体管流的数值模拟研究

热核聚变反应堆液态金属包层应用中的一个重要问题是液态金属在导电管中流动和强磁场相互作用产生的额外的磁流体动力学压降.这种磁流体动力学压降远远大于普通水力学压降.美国阿贡国家实验室ALEX研究小组,对非均匀磁场下导电管中液态金属磁流体动力学效应进行了实验研究,其实验结果成为液态金属包层数值验证的标准模型之一.液态金属包层在应用中会受到不同方向的磁场作用,本文以ALEX的非均匀磁场下导电方管中液态金属管流实验中的一组参数为基础,保持哈特曼数、雷诺数和壁面电导率不变,采用三维直接数值模拟的方法,研究了外加磁场与侧壁之间的倾角对导电方管内液态金属流动的速度、电流和压降分布的影响.研究结果表明:沿流向相同横截面上的速度、电流以及压力分布均随磁场的倾斜而同向旋转.倾斜磁场均匀段,横截面上的高速区位于平行磁场方向的哈特曼层和平行层交叉位置,压力梯度随磁场倾角的增大先增大后减小.倾斜磁场递减段,在三维磁流体动力学效应作用下,横截面上的高速射流位置向垂直磁场方向偏移.磁场递减段的三维磁流体动力学压降随磁场倾角的增大而增大.随磁场倾斜,截面上的射流峰值逐渐减小,二次流增强,引发层流向湍流的转捩.