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     

分隔板偏角对圆柱受力和脱涡频率的影响

钝体后安装分隔板是一种有效的被动控制技术,本文采用有限体积法对非稳态二维层流下的圆柱-分隔板结构绕流进行了数值计算。研究了中等雷诺数（Re=100～500）下,分隔板与来流方向存在夹角时（θ=0°～45°）的圆柱绕流特性。结果表明不同Re数下,圆柱阻力和升力系数等反映流动特性的参数随分隔板偏角而变化;阻力系数最小值对应...     

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。     

自由液面高度对圆柱绕流特性的影响

本文采用有限体积法和VOF方法,对不同自由液面高度(Z=1D~4D,其中D为圆柱直径)下的圆柱绕流进行了数值研究。研究1×10~4≤Re≤7×10~4范围内,自由液面高度对圆柱绕流流场动力学特性和尾迹旋涡形态的影响。结果表明:自由液面的存在会导致圆柱的阻力系数和升力系数较无自由液面时减小。当Re一定时,阻力系数随着Z的增大而减小,升力系数随着Z的增大而增大。Z=1D时,自由液面的波动和变形较大,圆柱后旋涡形成受到自由液面的扰动,无法完全形成即脱落。随着Z增大,圆柱边界层逐渐向下拉伸,自由液面对圆柱后旋涡形成的扰动作用减弱。当.Z=4D时,圆柱后尾迹旋涡形态已经基本与无自由液面流场的一致,可以观察到标准的卡门涡街图像。     

减缩频率和平均攻角对俯仰振荡翼型影响分析

本文以NACA0012翼型为研究对象,采用混合网格划分方法和SST κ-ω湍流模型,数值模拟了雷诺数Re=2.7×10~5条件下减缩频率和平均攻角对翼型俯仰振荡气动特性的影响。结果表明:翼型俯仰运动时的平均升力系数均低于静态条件下的升力系数;减缩频率对翼型下行段气动特性影响最为显著,当减缩频率较小时,翼型刚开始下行运动,出现流动分离越显著,这导致平均升力系数与静态条件下升力系数差值变大;平均攻角越大,俯仰运动时的最大升力系数越小;翼型俯仰运动上行段升力系数大,主要是因为前缘流动加速剧烈,增大了上下表面压差。     

电磁力控制湍流边界层分离圆柱绕流场特性数值分析

在亚临界区高雷诺数Re=1.4×105下,采用脱体涡模拟结合湍流分离的方法对弱电解质中电磁力作用下湍流边界层分离圆柱绕流场及其升(阻)力特性进行了数值模拟和分析.结果表明,电磁力可以提高圆柱体湍流边界层内的流体动能,延缓圆柱体湍流边界层的流动分离,减弱圆柱体湍流绕流场中在流向和展向上大尺度漩涡的强度,减小圆柱体阻力时均值及其升力脉动幅值.当电磁力作用参数大于某个临界值后,湍流边界层流动分离消失,在圆柱体尾部产生射流现象,从而电磁力对圆柱体产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值接近于零,出现圆柱体升力消失现象.     

波纹通道中流动非稳态特性的数值研究

本文对两种不同间距的波纹通道中的流动进行了非定常的数值模拟,给出了间距和雷诺数对反映涡脱落频率的无量纲斯特劳哈尔数的影响情况,比较了二维和三维数值模拟的差别。增大雷诺数或者减小间距将会使斯特劳哈尔数增大,而斯特劳哈尔数随雷诺数增大而增加的趋势会趋于平缓。雷诺数相同的情况下,三维模拟会得到振幅更大且形式更复杂的速度随时间振荡的曲线,而且波纹通道间距越大,速度振荡曲线的振幅也越大且形式越复杂。     

基于壁面压力反馈的圆柱绕流减阻智能控制

针对经典圆柱绕流问题,采用深度强化学习方法,提出了基于壁面压力反馈的圆柱绕流减阻闭环主动控制方法,并比较分析了施加控制前后圆柱阻力系数、升力系数及流场的差异.控制系统中,以圆柱壁面上均匀分布的压力探针测得的信号作为反馈,利用多层感知机建立压强信号与吹/吸射流及控制效果的映射关系,即控制策略;通过在圆柱上下表面狭缝施加连续可调的吹/吸射流来进行主动控制.同时,利用深度强化学习中的近端策略优化方法,在大量的学习过程中对该控制策略进行不断调整和优化,以实现稳定减阻效果.在圆柱绕流流动环境搭建方面,采用格子Boltzmann方法建立与深度强化学习模型之间的交互式框架,模拟提取非定常流场条件下圆柱表面的压强信号,并计算实时调整吹/吸射流强度时圆柱表面升力、阻力数据,以评估所选控制策略的优劣.研究表明:雷诺数为100时,主动控制策略能减少约4.2%的圆柱阻力,同时减少约49%升力幅度;同时施加主动控制后圆柱的减阻效果与圆柱回流区长度呈现强相关趋势.此外,不同雷诺数下智能体习得的策略减阻效果不同,雷诺数为200和400时,该主动控制策略能依次减小圆柱阻力17.3%和31.6%.本研究可为后续开展基于...     

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.     

串列对转双圆柱的多块LB模拟

结合格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,简称LBM)和多块网格(Multi-Block Grid)技术,数值研究较小雷诺数(Re=100)下均匀来流绕串列对转双圆柱问题,综合分析圆柱中心间距比S/D和圆柱无量纲旋转速度α对流场结构的影响,考察前、后圆柱的涡脱落形态和升阻力特性.结果表明:当间距比为1.2时存在一临界旋转比α_c,转速超过这一值后前圆柱产生负Magnus效应;间距比为2时,流场出现类似单旋转圆柱时的第二不稳定模态;当间距比较大(S/D=4、6)时,前、后柱之间存在涡脱落,后柱尾涡中出现2S、2S^*、2P、P+S等多种形态.     

Numerical Simulation of Two-Dimensional Flow over Three Cylinders by LatticeBoltzmann Method

The numerical simulation using the multiple relaxation time lattice Boltzmann method (MRT-LBM) is carried out for the purpose of investigating the two-dimensional flow around three circular cylinders. Among these three circular cylinders, one of the three cylinders on which a forced in-line vibrating is used to do this research and attempt to find out the effects of the movingcylinder and the other two rigid cylinders on the wake characteristics and vortex formation. As a benchmark problem to discuss the problem of lift coefficient r.m.s for these cylinders with spacing ratios T/D between other rigid side-by-side cylinders, and the calculation is carried out with two compared cases at Reynolds number of 100, two of the cylinders are rigid and the other one is an in-line vibrated cylinder lying downstream, in addition, forced vibrating amplitude and frequency are A/D= 0.5 and f_ν=0.4 (where A is the forced amplitude, D is the cylinder diameter, and f_ν stands for the vibrating frequency, respectively). The calculated results not onlyindicate that the spacing ratios T/D (T is the center-to-center spacing between the two upstream cylinders) have influence on the wake patterns and the formation of vortex shedding, but also analyze the lift coefficient r.m.s for the three cylinders with the spacing ratios S/D (where S is the center-to-center spacing between the center of upstream two side-by-side cylinders and downstream cylinder).     

通道中串列旋转圆柱的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟

通过结合格子Boltzmann方法(LBM)和虚拟区域(Fictitiou sDomain)思想,建立格子Boltzmann-虚拟区域(LB-DF/FD)方法.采用两套网格系统,欧拉网格用于流体,拉格朗日网格用于固体.原有的LBM在计算运动固体的受力方面存在数据振荡,LB-DF/FD方法改进了此缺陷.为验证该方法,模拟圆柱绕流、圆形颗粒在无限长通道中平动及在无限大流场中转动三种情况,结果与其他数值解及理论解符合得很好.利用该方法模拟低雷诺数下通道中串列旋转圆柱周围的流场,分析圆柱间距(g)及雷诺数(Re)对流场结构的影响.给出Re=0.001,0.1和10下,0.2≤g≤8.0的流线结构、圆柱升力、阻力以及力矩等数值结果.结果表明,g对流场的结构及圆柱的受力有显著影响,Re对圆柱阻力及Stokes单元数目的影响较大.     

微尺度串列双圆柱绕流的分子动力学并行模拟

本文采用基于空间分解算法的分子动力学并行模拟方法,研究了微尺度、低雷诺数（Re=40）下串列等大的双圆柱绕流现象。结果表明：随着间距比L＊／D＊的增加,流动存在3种特征状态：当L＊／D＊〈1．1时,同单一物体的绕钝体流动相似;当1．1〈L＊／0＊〈3．5时,涡脱落现象只在下游圆柱出现,在两圆柱之间有交替附着于下游圆柱的...     

Lattice Boltzmann simulation of flow around two,three and four circular cylinders in close proximity

Cross-flows around two, three and four circular cylinders in tandem, side-by-side, isosceles triangle and square arrangements are simulated using the incompressible lattice Boltzmann method with a second-order accurate curved boundary condition at Reynolds number 200 and the cylinder center-to-center transverse or/and longitudinal spacing 1.5D, where D is the identical circular cylinder diameter. The wake patterns, pressure and force distributions on the cylinders and mechanism of flow dynamics are investigated and compared among the four cases. The results also show that flows around the three or four cylinders significantly differ from those of the two cylinders in the tandem and side-by-side arrangements although there are some common features among the four cases due to their similarity of structures, which are interesting, complex and useful for practical applications. This study provides a useful database to validate the simplicity, accuracy and robustness of the Lattice Boltzmann method.

     

A study on drag reduction of a rotationally oscillating circular cylinder at low Reynolds number

The flow field around a rotationally oscillating circular cylinder in a uniform flow is studied by using a particle image velocimetry to understand the mechanism of drag reduction and the corresponding suppression of vortex shedding in the cylinder wake at low Reynolds number. Experiments are conducted on the flow around the circular cylinder under rotational oscillation at forcing Strouhal number 1, rotational amplitude 2 and Reynolds number 2,000. It is found from the flow measurement by PIV that the width of the wake is narrowed and the velocity fluctuations are reduced by the rotational oscillation of the cylinder, which results in the drag reduction rate of 30%. The mechanism of drag reduction is studied by phase-averaged PIV measurement, which indicates the formation of periodic small-scale vortices from both sides of the cylinder. It is found from the cross-correlation measurement between the velocity fluctuations that the large-scale structure of vortex shedding is almost removed in the cylinder wake, when the small-scale vortices are generated at the unstable frequency of shear layer by the influence of rotational oscillation.     

绕圆柱体自由表面磁流体流动和传热的研究

本文对在不同雷诺数下,绕圆柱体的磁流体自由表面流动及传热进行了模拟,分析了磁场对绕流圆柱尾迹和涡分离的影响,获得了两种雷诺数下的电磁力密度、流场和温度场分布。结果表明,磁场不仅影响了流动的形态,而且对湍流有抑制作用,降低了自由表面的更新机制,从而减少了传热能力;在相同的Hartmann数下,相比低雷诺数下的流动换热情况,高雷诺数下的湍流不能被完全抑制,自由表面与尾迹的相互作用也较强,因而自由表面换热也较强。     

圆管潜射流生成偶极子涡特性实验

利用溢流恒压装置产生具有稳定出流速度的圆管潜射流, 结合染色液流态显示方法, 在多种射流无量纲潜深d/H、雷诺数Re以及限制数C的组合下, 实验研究了该潜射流动量在有限深密度均匀流体中的演化特性, 其中d为射流潜深, H为水深. 研究表明, 当C<1时潜射流表现为深水特征, 而当1≤ C<2时潜射流表现为过渡特征, 在这两种情况下均不产生任何形式的大尺度相干结构; 当2≤ C<10时潜射流表现为浅水特征, 而C≥10时潜射流表现为极浅水特征, 在这两种情况下均产生大尺度的偶极子涡结构. 对极浅水特征潜射流, 在各种无量纲潜深下, 偶极子涡结构的无量纲形成时间t_f^*与无量纲射流时间T_inj^*均满足相同的正比例关系; 对浅水特征潜射流, 当d/H=0.5时, t_f^*与T_inj^*满足某种线性关系, 但对其他无量纲潜深, t_f^*与T_inj^*之间无明显规律. 关键词： 圆管潜射流 限制数 偶极子涡结构 形成时间     

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     

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.