高雷诺数下多柱绕流特性研究

采用改进的延迟分离涡方法数值模拟了高雷诺数下的柱体绕流,包括单圆柱绕流、单方柱绕流、串列双圆柱绕流和串列双方柱绕流,研究了不同雷诺数下圆柱绕流与方柱绕流的水动力特性.计算结果与实验数据及其他文献的数值计算结果吻合良好,研究表明,单方柱绕流在2.0×10~3Re1.0×10~7范围内未出现类似于单圆柱绕流的阻力危机现象,其平均阻力系数C_d、升力系数均方根C'_1及斯特劳哈尔数S t维持在一定范围内波动.串列双圆柱绕流与串列双方柱绕流中,均选取L/D=2.0,2.5,3.0,3.5和4.0这五中间距比进行计算.串列双圆柱绕流中,当Re=2.2×10~4时,在3.0L/D3.5内存在一临界间距比(L_c/D)使得L_c/D前后上下游圆柱的升阻力系数发生跳跃性变化,且当L/DL_c/D时,下游圆柱的阻力系数为负数.而当Re=3.0×10~6时,则不存在临界间距比,且下游圆柱的阻力系数始终为正数.串列双方柱绕流在Re=1.6×10~4和Re=1.0×10~6两种工况下的临界间距比分别处于3.0L/D3.5和3.5L/D4.0区间内,且当L/DL_c/D时,两个雷诺数下的下游方柱阻力系数均为负数.     

圆角化对方柱气动性能影响的流场机理

方形截面柱体的圆角化处理是常用的流动控制方法,但其流场作用机理尚未被澄清.采用大涡模拟方法,在雷诺数为2.2×104时,考虑风攻角的影响,对均匀流作用下的标准方柱和圆角方柱的气动性能和流场特性进行了研究,定量分析了圆角化气动措施和风攻角变化对分离泡特性的影响规律,从流场角度澄清了圆角化气动措施对方柱气动性能的影响机理.研究表明:与标准方柱相比,圆角方柱的表面风压、气动力和涡脱强度呈整体下降的趋势,但圆角方柱的斯特劳哈尔数更高;圆角方柱的"分离泡流态"发生在更小的风攻角范围内,分离泡的出现会进一步造成方柱的尾流变窄,涡脱强度减弱;随着风攻角的增大,分离泡的长度会逐渐减小直至消失,分离泡的中心会逐渐向方柱前角(迎风向)和方柱壁面移动;与标准方柱相比,圆角方柱的气流发生初次分离的位置向下游移动,分离后的剪切层更贴近方柱,因而更易发生再附现象;方柱尾流宽度的减小和涡脱强度的减弱是导致圆角方柱气动力减小和斯特劳哈尔数增大的主要原因.     

圆角化对方柱气动性能影响的流场机理

方形截面柱体的圆角化处理是常用的流动控制方法,但其流场作用机理尚未被澄清.采用大涡模拟方法,在雷诺数为2.2$\times$10$^{4}$时,考虑风攻角的影响,对均匀流作用下的标准方柱和圆角方柱的气动性能和流场特性进行了研究,定量分析了圆角化气动措施和风攻角变化对分离泡特性的影响规律,从流场角度澄清了圆角化气动措施对方柱气动性能的影响机理.研究表明:与标准方柱相比,圆角方柱的表面风压、气动力和涡脱强度呈整体下降的趋势,但圆角方柱的斯特劳哈尔数更高;圆角方柱的"分离泡流态'发生在更小的风攻角范围内,分离泡的出现会进一步造成方柱的尾流变窄,涡脱强度减弱;随着风攻角的增大,分离泡的长度会逐渐减小直至消失,分离泡的中心会逐渐向方柱前角(迎风向)和方柱壁面移动;与标准方柱相比,圆角方柱的气流发生初次分离的位置向下游移动,分离后的剪切层更贴近方柱,因而更易发生再附现象;方柱尾流宽度的减小和涡脱强度的减弱是导致圆角方柱气动力减小和斯特劳哈尔数增大的主要原因.      

带控制片方柱绕流的非定常数值模拟

对高雷诺数下带控制片的方体(在方柱之前放置一小尺度的柱形薄片)非定常绕流进行了数值模拟。数值模拟方法采用RNG重整化群紊流模型，SIMPLE算法，在非定常计算中引入双重时间步方法，将方体和控制片区域作为求解域的一部分作整体求解。结果表明，控制片与方柱之间距离的不同，使得控制片所形成的涡被抑止或产生卡门涡街，从而对柱体侧面边界层的分离发生影响，产生三种典型的流态，柱体时均阻力系数相对于无控制片的情况迅速减小，当控制片偏离柱体轴心时，柱体升力系数迅速增大，偏心至柱体外壁面附近达到极大值。阻力系数达到最小值后将产生跳跃式的增大，而升力系数在达到最大值后也将产生跳跃式的减小。     

不同雷诺数下二维椭圆柱绕流的数值模拟研究

利用计算流体力学软件Fluent对不同雷诺数(Re=100,3900,3.5×10~6)下二维椭圆柱绕流进行了数值模拟研究,分析了不同轴长比(2b/2a=cosθ,θ=0°,15°,30°,45°,60°)下椭圆柱绕流的特性。通过对比尾部涡流情况、升力系数C_L、阻力系数C_D以及斯特劳哈尔数St初步发现:由于椭圆形截面偏流线型的特点,在三种雷诺数下随着θ的增大椭圆柱绕流尾涡强度减小,流场的变化使圆柱表面的压力系数减小,最终导致圆柱的升力系数幅值与阻力系数均值减小。而斯特劳哈尔数St在三种雷诺数下的变化不同,随着θ的增大,层流雷诺数(Re=100)下St值减小;亚临界雷诺数(Re=3900)下St值在45°处轻微上扬,在60°处明显减小;超临界雷诺数(Re=3.5×10~6)下St值增大。     

非定常空化流动涡旋运动及其流体动力特性

采用大涡模拟方法对绕水翼云状空化的水动力特性和非定常流场结构进行研究. 基于实验结果对数值方法进行验证,分析空化与流场内部涡旋结构之间的相互作用以及对水翼动力特性的影响. 研究结果表明:大涡模拟方法可以准确模拟绕水翼流动的非定常过程. 在无空化条件下,升阻力系数存在斯特劳哈数St = 0.85 的主频波动,这是由水翼尾部涡旋结构的发展脱落引起的;在云状空化条件下,升阻力系数存在St = 0.34 的高能量密度低频波动,这是由大规模云状空泡团的发展和脱落引起的;云状空化阶段的升阻力系数在St = 0.5~1.5 的范围内都存在较高的波动,这是由于空化现象对水翼尾缘涡旋结构的发展和脱落产生影响,在不同发展阶段,空化现象不同程度地降低尾缘涡旋结构脱落频率.      

基于浸入边界算法的振动钝体绕流模拟研究

传统CFD方法在振动钝体绕流计算中常借助动网格技术,网格再生任务繁重。针对于此,本文利用可在静止网格中计算动边界绕流问题的浸入边界算法(IBM),编写数值模拟程序,分别对竖向强迫正弦振动方柱(Re=UD/v=103、振幅恒定、振动频率变化)以及桥梁断面(Re=UB/v=7.5×103、振幅、振动频率均变化)展开气动特性和流场特征结构分析。初步研究结果表明,振幅恒定为方柱高度的14%时,其涡脱锁定区长度为0.06~0.2,锁定区后端(Stc0.2)振动方柱涡脱频率回归静止涡脱频率;不同振幅下的桥梁断面阻力系数均在静止涡脱频率处产生峰值,桥梁断面升力系数则在此处均出现归零效应,且振幅越大,归零效应愈明显。     

低雷诺数串列双方柱流致振动质量比效应的数值研究

为澄清串列双方柱流致振动的质量比效应,采用数值模拟方法,在雷诺数为150时,研究了质量比(m*=3,10,20)对下游方柱振动响应特性的影响规律,分析了下游方柱尾流模态的演变过程,探讨了导致下游方柱振动的流固耦合机制.结果表明:质量比对下游方柱的流致振动有重要影响,低质量比(m*=3)时下游方柱的振动响应更为复杂,随着折减速度的增大,下游方柱并未出现传统"锁定"现象(即振动频率比fy/fn≈1的锁定),而发生了"弱锁定"现象(即fy/fn 1的锁定);随着质量比的增加(m*=10和20),"弱锁定"现象消失,而出现传统"锁定"现象,且下游方柱横流向最大振幅减小.质量比对串列双方柱的柱心间距有明显影响,低质量比(m*=3)时的柱间距在振动锁定区内会急剧减小,而较高质量比(m*=10和20)下的柱间距则变化不大.此外,质量比对串列双方柱的尾流模态和流固耦合机制也有显著影响,其中低质量比(m*=3)下的情况更为多样.     

超高雷诺数下矩形截面气动特性研究

为研究工程常见的超高雷诺数下矩形柱流场特性和气动特性,以常见的起重机单箱梁截面(梁高h=1m,雷诺数Re=6.85×105)为例,采用雷诺平均RANS Realizable k-ε方法,对中等湍流强度来流下矩形柱绕流进行数值模拟。首先进行网格无关性验证,然后选取宽高比为0.6、0.8、1.0、1.5、2.0共5组不同截面的矩形柱结构进行流场分析与研究。通过对比不同宽高比柱体截面周围的气动特性参数,以及尾流区的尾涡、回流参数等特征量表明:阻力系数、平均背压系数、升力系数均方根、斯托罗哈数等均随着宽高比增大而降低,尾涡宽度和距离随着宽高比增大而减小,回流长度和最大回流速度随宽高比增大而增大。同时,通过与相关雷诺数(Re=104～105)的风洞实验和仿真结果进行对比,发现其在数值上和参考值相差很小,说明高雷诺数对绕流参数的影响很小,可为相关工程设计提供参考。     

并列双椭圆柱绕流的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟研究

采用格子Boltzmann-虚拟区域方法对并列双椭圆柱绕流进行了模拟研究。首先,通过与并列双圆柱的结果进行对比,验证了数值方法的有效性。其次对雷诺数为200时两种间距(g=0.5a和2.0a,g为柱体表面间距,a为椭圆长轴)的情况进行了研究,考察了椭圆长轴与短轴之比,即α值对柱体升阻力系数及涡结构的影响。研究发现,与圆柱相比,对于g=0.5a椭圆柱的升阻力系数可能出现两种变化,一是升阻力随时间演化较规则,接近周期性;二是流场可能长时间偏向于其中一个椭圆柱,这些变化与α的值有关。对于g=2.0a,两个椭圆柱后的某一区域内会出现四列涡街,经过一段时间,四列涡街又会演化成两列向两侧扩张的涡街。     

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.      

旋转振荡板尾流的控制研究

桥跨结构发生颤振时的旋涡尾流可由二维强迫旋转振荡板绕流模拟. 在弦厚比B/H = 5的振荡板两侧对称地放置两个宽度比均为b/H = 0.33的窄条, 对尾流的锁频旋涡脱落进行控制. 采用数值模拟和实验验证方法, 对旋涡场、尾流平均和脉动速度, 以及板所受扭转力矩和升力进行研究, 研究的振幅范围β = 0° ~ 10°, 振频范围f_eH/V_∞ = 0 ~ 0.0857, 雷诺数Re = V_∞H/V = 2800. 窄条位置分为板的前缘、中央和尾缘3种, 控制参数为窄条横向坐标y/H. 根据实验结果, 当窄条位置y/H在一定范围, 振幅β = 0° ~ 7.5°, 振频f_eH/V_∞ = 0 ~ 0.08时, 有控制和无控制尾流脉动速度功率谱主峰的比值远低于1, 最低可达0.3左右. 根据数值模拟结果, 当中央控制件位于y/H = ±1附近时, 在振幅β = 0° ~ 7.5°, 和一定频率范围内, 脉动扭转力矩均方根和升力均方根都有大幅下降, 最多可分别降低43%和80%. 引入第一和第二涡黏系数, 将尾流无规则脉动形成的湍流法向和切向应力, 分别与扰动速度幅值的法向和切向梯度相联系, 得到线性稳定性方程. 稳定性分析表明, 施加控制后, 最大扰动放大因子ω_{i max}大幅降低, 扰动增长的频率范围显著收窄. 窄条改变尾流速度剖面形状并增大湍流涡黏系数, 从而减弱尾流的不稳定性.      

结构振动对湍流近尾迹的影响

研究了圆柱绕流中流体与结构的相互作用,侧重结构振动对湍流尾迹的影响,用激光测振仪测量圆柱在升力方向的位移;用热线和LDA（二维）测量湍流的近尾迹,通过变化自由流的速度和圆柱体直径（特征尺寸）来变化雷诺数,用两个振动特性不同的（一个相对刚性,一个相对弹）圆柱来产生尾迹,研究固体结构振动对湍流近尾迹的平均速度场和湍流场的影响,结果表明,结构自由振动对湍流近尾迹场影响明显,该影响随雷诺数的变化不明显。     

上游静止方柱尾流对下游方柱体尾激振动效应影响

基于半隐式特征线分裂算子有限元法,对低雷诺数下串列布置上游静止方柱--下游双自由度运动方柱体结构的尾激振动问题进行了研究.首先与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后着重分析了雷诺数($Re$)与折减速度$(U_{\rm r})$两个关键参数对下游方柱尾激振动响应的影响,同时将计算结果与单方柱工况进行了对比. 数值计算结果表明,雷诺数和折减速度对下游方柱的振幅、振动频率和运动轨迹等动力响应特性的影响较大.随着雷诺数的增大,双柱系统的互扰效应从以涡激效应为主逐渐转变为尾激效应发挥主导作用,从而导致下游方柱的振动响应增强.单方柱工况结构运动轨迹均呈"8"字形. 然而,下游方柱的运动轨迹会随着雷诺数的增加而变得复杂.雷诺数较小时($Re\!=\!40$, 80),下游方柱的运动轨迹基本为"8"字形. 雷诺数较大时($Re\!=\!120$, 160,200), 下游方柱的运动轨迹会出现双"8"字形. 同时,下游方柱的尾流场特性主要呈现2S, 2S*, 2P, 2T, P+S和稳态6种模式.最后, 通过对流场特性进行分析,揭示了串列双方柱系统尾激振动效应的作用机理.      

Low Order Modelling of Freely Vibrating Flexible Cables

A highly efficient, low-order model for vortex-induced vibration of flexible cables at low Reynolds number has been developed. A coupled map lattice (CML) wake model, based on circle maps, is combined with a cable model (linear wave equation). With this model, both the self-excited response of the cable oscillation in the crossflow direction and the resulting wake structures are examined at Re = 100. This represents an improvement over earlier CML models capable of only modelling wakes behind externally forced cables. For comparison, spectral-element based numerical simulations, in addition to experiments on a freely vibrating cable flow, were conducted. The freely vibrating CML model predicted lace-like structures consistent with these numerical simulations and experimental results. Little difference was noted between the vortex shedding wake patterns determined for forced cables (from previous CML models) and freely vibrating cables. The freely vibrating CML matched experimental data for maximum cable amplitude reasonably well over a range of mass-damping parameter employed in offshore structural applications.     

EFFECTS OF LID-DRIVEN CAVITY SHAPE ON THE FLOW ESTABLISHMENT PHASE

Experiments are carried out to study the flow establishment phase inside closed cavities submitted to the impulsive translation from rest, of one of their walls at a Reynolds number of 1000. Three standard industrially machined or molded cylindrical cavity shapes are studied and are compared with respect to the efficiency of mixing process: square, rectangular and semi-circular of length-to-width ratio of 2:1. The flow structures in the mid-cross-section are analysed by means of fine topological and kinematic visualization series using two complementary techniques: continuous dye filament and discrete solid tracers both coupled with a laser sheet illumination. Particular attention is given to vorticity propagation and primary/secondary eddy formations. Although a roughly similar vortex generation is observed in all examined cavities, important differences appear with time. The semi-circular cavity flow results in a much more homogeneous and uniform recirculation with no secondary flow recirculation zone. On the contrary, the square and rectangular cavity flows develop a better flow mass dispersion and, respectively, one and two secondary eddies. At the final time of observation (t^*=12), both semi-circular and rectangular cavity flows seem to reach their steady state whereas the square one continues to evolve. Comparisons with 2-D computational results of other authors illustrate the three-dimensional flow aspect present in experiments.     

Modes of vortex formation and transition to three-dimensionality in the wake of a freely vibrating cylinder

The present work is aimed to give some insight into the relation between vortex shedding modes and transition to three-dimensionality in the wake of a freely vibrating cylinder by establishing a numerical model and analyzing the relevant results of two- and three-dimensional simulations. The compressible flow past an elastically-mounted cylinder is solved by using the immersed boundary method (IB method). The cylinder is free to vibrate in the transverse direction with zero structure damping. The response of displacement amplitude is studied with the variation of reduced velocity. Whether P+S mode exists in three-dimensional flow and the occurrence of 2P mode is caused by flow transition from two-dimensional to three-dimensional are problems of concern. Both 2P and P+S wake modes are observed in two- and three-dimensional simulations. The numerical results indicate that the flow transition from two-dimensional to three-dimensional is coupled with the cylinder vibration in the synchronization/lock-in regime. The wake formation given by three-dimensional simulations suggests that the P+S mode might exist in reality when the flow is reverted to two-dimensional by vortex induced vibration (VIV) at Re=300–350. When Reynolds number increases to 425, the wake formation undergoes transition to three-dimensionality and 2P mode is observed. The effect of mass ratio on the flow transition to three-dimensionality is studied. The relationship between wake modes and aerodynamic forces is discussed.     

圆柱体双自由度涡激振动轨迹的模型试验

对水平放置的直径 5cm,长120cm的圆柱体开展了双自由度涡激振动模型试验研究. 试验中发现,圆柱体在顺流向上的振动频率表现为"多频"的现象,即不光有2倍横向振动的频率,在某些振动固有频率和约化速度的条件下,还出现了单倍横向振动的频率,从而使圆柱体的轨迹呈现出"卵"形以及"雨滴"形等明显异于传统"8"字形与"新月"形的运动轨迹. 此外,通过研究初步得到了各种其他形式的振动轨迹向"8"字形变化的趋势,并认为不同的横向、顺流向振动固有频率以及流速是导致圆柱体涡激振动轨迹产生多种形式的主要原因.      

NUMERICAL PREDICTION OF FORCE ON RECTANGULAR CYLINDERS IN OSCILLATING VISCOUS FLOW

Numerical results are presented for an oscillating viscous flow past a square cylinder with square and rounded corners and a diamond cylinder with square corners at Keulegan–Carpenter numbers up to 5. This unsteady flow problem is formulated by the two-dimensional Navier–Stokes equations in vorticity and stream-function form on body-fitted coordinates and solved by a finite-difference method. Second-order Adams-Bashforth and central-difference schemes are used to discretize the vorticity transport equation while a third-order upwinding scheme is incorporated to represent the nonlinear convective terms. Since the vorticity distribution has a mathematical singularity at a sharp corner and since the force coefficients are found in experiments to be sensitive to the corner radius of rectangular cylinders, a grid-generation technique is applied to provide an efficient mesh system for this complex flow. Local grid concentration near the sharp corners, instead of any artificial treatment of the sharp corners being introduced, is used in order to obtain high numerical resolution. The elliptic partial differential equation for stream function and vorticity in the transformed plane is solved by a multigrid iteration method. For an oscillating flow past a rectangular cylinder, vortex detachment occurs at irregular high frequency modes at KC numbers larger than 3 for a square cylinder, larger than 1 for a diamond cylinder and larger than 3 for a square cylinder with rounded corners. The calculated drag and inertia coefficients are in very good agreement with the experimental data. The calculated vortex patterns are used to explain some of the force coefficient behavior.     

近距离下射流冲击平板PIV实验研究

运用时间分辨粒子成像测速系统(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)对近距离下射流冲击平板时的流场进行了直接测量, 通过对两个正交的平面流场开展测量, 揭示了冲击距离和雷诺数对射流间隙内三维流动特征及涡系结构演化规律的影响. 结果表明: 射流间隙存在三种典型的涡系结构, 分别为双涡环模式、单涡环模式和卷吸模式, 但在大流量湍流状态下, 射流可能会冲破涡环, 形成随机的高速出流, 各流动模式的出现主要与射流流态及壁面约束作用有关. 运用涡量分析对三种典型涡系结构的能量传递和损失特性进行了比较. 结果表明: 近距离冲击时, 射流的能量通过涡环模式向外传递. 在双涡环模式下, 两个涡环的旋向相反, 端面的约束作用使得两个涡环都被严格约束在射流棒端面之内, 且一次涡环强度显著大于二次涡环强度. 最后, 运用本征正交分解方法对射流间隙内的流动模态及其能量分布进行了分析. 单涡和双涡模式前十阶模态分析结果表明: 能量脉动在较低阶时即以配对的模式出现, 这表明一次涡环与二次涡环均具有良好的对称性, 同时在双涡模式中, 一次涡环是占主导作用的大尺度流动结构. 卷吸模式的前三阶模态分析表明: 射流的能量集中在射流上游, 能量随紊动扩散急剧衰减.