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\overline{C_d}、升力系数均方根{C\mathrm{\text{'}}}_l及斯特劳哈尔数\mathit{St}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\mathit{Re}=2.2\times 10^4时,在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,且当时,下游圆柱的阻力系数为负数. 而当\mathit{Re}=3.0\times 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\mathit{Re}=1.6\times 10^4和\mathit{Re}=1.0\times 10^6两种工况下的临界间距比分别处于和区间内,且当时,两个雷诺数下的下游方柱阻力系数均为负数.      

带整流罩隔水管流场特性的大涡模拟研究

为了深入揭示整流罩抑制涡激振动的机理,采用CFD软件FLUENT,结合大涡模拟方法,分别对附加整流罩前后隔水管模型的绕流流场进行模拟,将附加整流罩前后隔水管周围的流场特性、升力系数、阻力系数及其频谱特性等进行对比分析.结果表明,整流罩能有效抑制隔水管尾流区的漩涡脱落,隔水管背部的压力升高,升力系数和阻力系数显著降低,从而抑制了隔水管的涡激振动.     

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.      

两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

目前细长柔性圆柱体涡激振动响应的研究方法主要包括实验方法、计算流体动力学方法以及半经验模型方法. 鉴于实验方法研究成本较高、计算流体动力学方法计算时间较长,本文基于尾流振子模型对线性剪切来流下两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性进行了半经验模型方法研究. 先建立了柔性圆柱体结构振子以及尾流振子之间的耦合模型,紧接着基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解. 对不同剪切参数下柔性圆柱体涡激振动响应的振动波长、振动频率、振动位移以及响应频率随时间的变化特性等参数进行了分析. 分析结果表明:圆柱体的涡激振动响应由驻波和行波混合组成. 当无量纲弯曲刚度较小时,在圆柱体两端附近,驻波占主导;而在圆柱体中间段附近,行波占主导. 当无量纲弯曲刚度较大时,在圆柱体整个长度区间上均为驻波占主导. 随着剪切参数的增大,振动位移以及振动波长均逐渐减小,而振动频率和频率带宽均逐渐增大.      

低雷诺数下串列布置双圆柱涡激振动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对串列布置双圆柱双自由度涡激振动问题进行了数值模拟计算,并分析了间距比、剪切率、频率比以及折减速度4个参数对圆柱结构动力响应的影响.研究发现:不同固有频率比与剪切率对下游圆柱振动幅值影响较大,然而对上游圆柱振动幅值影响较小.上游圆柱在两个自由度方向达到最大值的折减速度不同,然而下...     

剪切流下发生涡激振动的柔性立管阻力特性研究

利用缩尺模型试验的方法研究了线性剪切流下涡激振动发生时柔性立管的阻力特性.文中基于光纤光栅应变传感器测得的模型应变信息,采用梁复杂弯曲理论计算了立管的平均阻力,继而分析了阻力系数沿管长方向和雷诺数的分布特性以及涡激振动对阻力系数的放大效应,并提出了用于估算柔性立管发生涡激振动时阻力系数的经验公式.结果表明:涡激振动对阻力系数有放大效应,使得立管局部阻力系数高达3.2;平均阻力系数在1.0×104到1.2×105的雷诺数区间内的值为1.3~2.0,并随雷诺数的增大而减小.本文提出的经验公式可准确估算高雷诺数下涡激振动发生时柔性立管的阻力系数,此经验公式考虑了流速、涡激振动主导模态以及主导频率对阻力系数的影响.      

海洋热塑性增强管(RTP)涡激振动数值计算

基于Van der Pol尾流振子模型和多体系统传递矩阵法(transfer matrix method for multibody systems,MSTMM),建立了可以快速预测海洋热塑性增强管(reinforced thermoplastic pipe, RTP)振动特性和涡激振动响应的动力学模型.仿真结果与ANSYS软件仿真结果以及文献实验数据对比,验证了本文模型的准确性.研究了考虑RTP立管刚性接头,不同顶张力,不同来流分布等情况对RTP立管涡激振动响应的影响.计算结果表明:流速越大,立管涡激振动激发出的模态越高;立管涡激振动主要受低阶模态控制;立管的刚性接头对立管的湿模态影响较小,但是对较高阶模态为主所激发出的涡激振动振幅分布影响较大;剪切流对沿立管轴向的涡激振动振幅分布影响较大,低流速能量小所引起的涡激振动幅值较小,但是当剪切流流速达到能激发出较高阶模态时,相比同等流速的均匀流所引起的涡激振动振幅要大.     

基于LBM-LES的三维串列多圆柱绕流尾涡结构研究

为了研究三维串联多圆柱绕流在不同圆柱间距比L/D(L为圆柱的间距,D为圆柱直径)情况下的尾涡结构,基于格子玻尔兹曼(LBM)方法,采用大涡模拟(LES)方法计算了高雷诺数下三维单圆柱及三维串联多圆柱在不同L/D情况下的尾涡流场.数值结果表明:LBM-LES方法可以较好地模拟出三维单圆柱以及串联多圆柱的尾涡结构;高雷诺数...     

错列角度对双圆柱涡激振动影响的数值模拟研究

为研究错列角度\alpha对双圆柱涡激振动问题的影响,采用自主研发的基于CIP (constrained interpolation profile)方法的数值模型,对雷诺数\mathit{Re}=100、错列角度\alpha =0^{°}\mathrm{~}90^{°} (间隔15 #x00B0;)的等直径双圆柱涡激振动问题进行数值模拟. 模型在笛卡尔网格系统下建立,采用具有三阶精度的 CIP 方法求解 N-S (Navier--Stokes)方程,采用浸入边界法处理流--固耦合问题,避免了任意拉欧方法下的网格畸变和重叠动网格技术中的大量信息交换问题,保证了模型的计算效率. 重点分析不同错列角度\alpha上下游圆柱的升阻力系数、位移响应、涡脱频率和尾涡模态等. 结果表明:折合速度U_r=2.0\mathrm{~}3.0时,上下游圆柱升阻力随错列角度的增大基本呈单调增大的趋势;U_{\mathrm{r}}=5.0\mathrm{~}8.0时,随错列角度的增大,上下游圆柱阻力变化较小,升力呈“上凸”趋势,在\alpha =15^{°}\mathrm{~}30^{°}取得最大值;U_r=10.0\mathrm{~}13.0时,随错列角度的增大,上下游圆柱阻力变化较小,升力呈“下凹”趋势,在\alpha =30^{°}\mathrm{~}45^{°}取得最小值,且柱体横流向振幅和升力没有明显的对应关系. 最后,结合尾涡模态对以上规律的成因进行分析. 研究结果可为相关海洋工程设计提供参考.      

海上浮式风力机支撑结构的流固耦合动力学研究

海上漂浮式风力机支撑结构动力载荷的确定不仅对于结构设计、施工过程非常重要,对于设施的运维保障同样重要。水动力载荷的计算可归为基于势流理论的理论模型和基于计算流体动力学的数值模型两类方法。本文简述了两类模型各自的基本原理,明确其优劣,为实际工程应用的合理建模提供参考。对于海洋工程,水池物理模型实验发挥着重要作用。本文以某结构型式的浮式支撑结构的物理模型实验为例,阐述了物理模型实验技术的局限性及改进措施,为工程建设提供必要的技术支撑。

     

锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载

通过风洞模拟实验,研究了在锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载的特性. 针对一个立方体形模 型,给出了在不同风向角下压力分布的系统结果,进而分析了产生这样结果的原因和流动机 理,以及建筑物顶面的分离流动结构随风向角改变而改变及其演化过程,并指出锥形涡的出 现是建筑物顶面局部出现峰值负压的主要原因. 实验结果还显示,在一定风向角下,由于分 离流动产生的锥形涡结构在屋顶局部可以诱导出时均负压峰值达$-1.0$以上;在风向角 $\beta =30^\circ$时,锥形涡强度达到最大,其诱导的顶面附近局部时均负压峰值可 达$-2.4$, 瞬时风压达$-5.7$以上,是导致建筑物屋顶在强风下损坏的根本原因.     

三角翼的双襟翼控涡作用的数值模拟研究

对装有“前端襟翼”和“前缘襟翼”的７４°后掠三角翼的不可压缩流场作了数值模拟,以研究襟翼的旋涡控制作用．数值模拟是用拟压缩性方法求解一般曲线坐标系下的三维不可压缩Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程,时间离散用向后Ｅｕｌｅｒ差分,空间无粘项的离散用二阶迎风ＴＶＤ格式,所得的离散方程用对角化形式的近似隐式因子分解格式求解．湍流模型用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数模式．计算了三种平面形状的机翼在迎角范围为１０°～５０°的绕流和气动特性．计算和实验的比较表明,襟翼向下偏转可以推迟旋涡破裂,且对提高机翼的减阻能力、升阻比和改善失速前后的气动特性有明显效果,双襟翼具有更佳的控涡效果．     

起始攻角附件三角翼涡破裂的演化特性研究

用数值方法求解Ｎ－Ｓ方程，并用“亚迭代”方法保证时间方向二阶精度，数值模拟了 ７５° 后掠三角翼非定常绕流，给出了详细的涡破裂起始攻角附近涡破裂的形成、发展和演化过程． 涡破裂从开始的螺旋破裂变为向泡状破裂演化的“过渡态”，然后发展到泡状破裂，再由泡状 破裂变为向螺旋破裂演化的“过渡态”，最终发展到典型的螺旋破裂形态．从计算结果中还发 现，当泡状破裂形成后破裂点前移速度明显减慢，同时当从泡状破裂向螺旋破裂演变时，破裂 点出现后移现象．可从最近相关的实验和数值模拟结果中发现这些现象的存在．     

基于涡旋识别方法的高速列车尾涡结构的讨论

利用改进型延迟分离涡模拟方法对缩尺比例1:30的高速列车简化模型的绕流流场进行数值计算,主要针对近尾流区的涡旋结构展开具体讨论. 通过不同的涡旋识别方法,发现在尾涡结构中,高涡量的强涡旋主要聚集于尾车附近,而涡量较低但处于相对稳定状态的涡旋分布在大部分尾流空间中. 对此,主要基于最新提出的涡旋定义及其物理意义认为,由于边界层在尾部发生的流动分离,剪切变形以及高涡量的扩散对强涡旋的形成发挥着重要的作用,而涡旋会被较强的剪切旋转拉伸,使得局部复杂的流动表现出突出的湍流特性;另一方面,尽管涡强度明显下降,但是在强剪切应变迅速衰减的情况下,流向涡核中的涡旋涡量是主要的,此时,在较接近地面的情况下,流体微团以涡核为中心的旋转运动使得涡旋与地面之间的相互作用成为主导的流动机制. 虽然涡强度会相对缓慢地衰减,但是从湍流能量产生的角度,该机制对涡旋的自维持发挥重要的作用,从而使尾涡结构能够相对稳定地存在于尾流流动中.      

圆柱尾迹影响旁路转捩末期发卡涡涡包的研究

基于TR-PIV技术, 通过侧视和俯视两种情况对圆柱尾迹影响下旁路转 捩末期发卡涡涡包的结构及特征尺寸进行了实验研究. 结合二维空间子波变换和\lambda _{ci}准则, 运用线性随机估计方法对速度信号进行条件平均. 在侧视情况下, 条件平均结 果显示, 在边界层中一系列发卡涡涡头与壁面构成17^{\circ}的倾角, 并且被尾迹涡所占据的低 速区域出现在涡包上方的主流区中. 在俯视的结果中, 沿流向方向拉伸(流向尺度 3\delta, 展向尺度0.55δ)的低速条带结构出现在法向高 度为y/δ =0.2的流向-展向平面中, 并且在该低速条带的两侧对称地出 现了沿流向分布的反向旋转的涡结构. 可以得出: 在圆柱尾迹影响下旁路转捩的末期, 由于 尾迹涡诱导作用的影响, 发卡涡涡包在形态上显示出了更大尺度的特征.     

潮流发电装置运动衰减特性与不规则波响应

为了研究基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的运动衰减特性与不规则波响应,提出了基于船模拖曳水池的系泊试验方法,设计了试验模型和装置,构建了系泊试验平台,进行了组合模型的自由衰减试验、系泊衰减试验和系泊状态下的不规则波响应试验. 衰减试验中测量了模型的摇动衰减特性,不规则波响应试验中测量了系缆的拉力响应和组合模型的摇动响应. 试验研究得到了关于漂浮式潮流能发电装置的衰减运动特性和4级海况、0.6m/s流速时1号系缆的拉力响应以及组合模型的摇动响应. 研究可为基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的理论研究和工程应用提供参考和借鉴.     

数值研究激波与旋涡的相互作用

从非定常形式的Euler方程出发,数值模拟了运动激波与旋涡相互作用的非定常流动过程。为保证激波具有较高的分辨率,采用对称型TVD格式进行了数值计算。结果表明。这样可以有效地模拟流场中一些复杂的流动现象,如激波变形、激波分叉和三波点的形成,以及旋涡结构的变化过程等,并与已有的实验流动显示相符良好。同时,也是对TVD格式求解这类问题的一次初步尝试。     

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理，采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性，采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟，建立了壁面糙率、旋转半径，静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试，验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法，获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程，分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明，边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素，边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快，圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.     

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。