基于重叠网格与结构网格的圆柱绕流数值模拟

为研究重叠网格与结构网格在圆柱绕流数值模拟中的区别,以二维圆柱为例,利用有限元分析软件ANSYS 19.2中的DM与Mesh建立模型并划分重叠网格,利用ANSYS 19.2中的ICEM建立模型并划分结构网格。采用FLUENT 19.2中laminar模型模拟分析系统中的平均升力系数、平均阻力系数、斯特劳哈尔数St等流体动力特性。通过改变流体流速得到两种不同网格下各6组雷诺数Re,这6组雷诺数在60~160之间。结果表明:结构网格与重叠网格的St都随着Re的增加而增加,但相同雷诺数下重叠网格对应的St数值更大,St的增长速度更快;重叠网格与结构网格的平均升力系数与平均阻力系数随着Re的增加趋于稳定的速度都加快,但结构网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定的速度更快,且两种网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定速度的差距逐渐缩小,当Re=160时,两种网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定的速度几乎相同;当雷诺数在60~160之间时,采用重叠网格计算出来的斯特劳哈尔数比结构网格更加接近理论值;从升力功率谱密度分布曲线中可以看出,随着雷诺数的增加,两种网格下的频率逐渐变大,并且相同雷诺数下重叠网格的频率比结构网格大。     

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.     

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法的椭圆柱流动特性分析

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法,开展了雷诺数Re=100不同几何参数下单椭圆柱及串列双椭圆柱绕流流场与受力特性对比研究。结果表明,随长短轴比值的增加,单椭圆柱绕流阻力系数先减小后缓慢上升,最大升力系数则随长短轴比值的增大而减小;尾迹流动状态从周期性脱落涡到稳定对称涡。间距是影响串列圆柱及椭圆柱流场流动状态的主要因素,间距较小时,串列圆柱绕流呈周期性脱落涡状态,而椭圆柱则为稳定流动;随着间距增加,上下游圆柱及椭圆柱尾迹均出现卡门涡街现象,且串列椭圆柱临界间距大于串列圆柱。串列椭圆柱阻力的变化规律与圆柱的基本相同,上游平均阻力大于下游阻力;上游椭圆柱阻力随着间距的变大先减小,下游随间距的变大而增加,当间距达到临界间距时上下游阻力跃升,随后出现小幅度波动再逐渐增加,并趋近于相同长短轴比值下单柱体绕流的阻力。     

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法的椭圆柱流动特性分析

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法,开展了雷诺数Re=100不同几何参数下单椭圆柱及串列双椭圆柱绕流流场与受力特性对比研究。结果表明,随长短轴比值的增加,单椭圆柱绕流阻力系数先减小后缓慢上升,最大升力系数则随长短轴比值的增大而减小;尾迹流动状态从周期性脱落涡到稳定对称涡。间距是影响串列圆柱及椭圆柱流场流动状态的主要因素,间距较小时,串列圆柱绕流呈周期性脱落涡状态,而椭圆柱则为稳定流动;随着间距增加,上下游圆柱及椭圆柱尾迹均出现卡门涡街现象,且串列椭圆柱临界间距大于串列圆柱。串列椭圆柱阻力的变化规律与圆柱的基本相同,上游平均阻力大于下游阻力;上游椭圆柱阻力随着间距的变大先减小,下游随间距的变大而增加,当间距达到临界间距时上下游阻力跃升,随后出现小幅度波动再逐渐增加,并趋近于相同长短轴比值下单柱体绕流的阻力。     

大湍流度高雷诺数时并列双圆柱的平均和脉动压力分布

本文通过风洞实验研究了来流湍流度,Iu=10％雷诺数分别为Re=1.95×10~9和Re=6.5×10~5时单个圆柱和不同间距比下并列双圆柱的平均和脉动压力分布。结果表明:在Re=1.95×10~5时单个圆柱的平均压力分布类似于低湍流度高超临界雷诺数时的压力分布;当雷诺数增大至6.5×10~5时,绕圆柱表面流动的分离点前移和背压绝对值提高,总的阻力系数随之增加。并列双圆柱的间距比变化对圆柱表面压力分布影响很大,在极小间距比(N/d=1.05)时,双圆柱间的缝隙流使附近柱面产生高达-5的压力系数峰值(Re=6.5×10~5),同时脉动压力也大为增加;在较小间距比时(1.5     

相同雷诺数下串列双圆柱绕流的仿真分析

为研究均匀水流场中串列排布的柱群之间的干涉影响,本文以三维串列双圆柱为例,通过计算流体力学(CFD)软件FLUENT15.0中双方程k-ε模型,分析模拟了双圆柱所受平均阻力、平均升力、后柱周向压力、斯特劳哈尔数等水动力特性。结果表明:在雷诺数为Re=2×10~4的串列双圆柱绕流中,两圆柱中心间距L与圆柱直径D的比值为L/D=4时,后柱受前柱绕流尾流影响大,明显高于单圆柱绕流的平均阻力系数,后柱的周向压力值也随前柱尾流的摆动呈现显著的不对称性;当L/D=8时,前柱绕流尾流对后柱影响逐渐减弱;当L/D=12时,两圆柱之间的相互干扰几乎可以忽略,可以看作是相互独立的单圆柱绕流。最后,计算的斯特劳哈尔数与单圆柱绕流对应的斯特劳哈尔数相近且仿真数值在计算数值范围之内,验证了整个仿真分析的准确性,也进一步说明了双圆柱绕流的柱群的干涉影响。双圆柱间距越大,前、后柱之间的干涉影响越弱。     

正方形排列四圆柱体绕流特性及互扰效应研究

基于计算流体动力学理论,运用大涡模拟方法对雷诺数Re=3900三维正方形排列四圆柱体结构群的绕流问题进行数值计算,主要分析来流攻角与间距比两个参数对四圆柱体结构群流体参数及流场模态的影响。结果表明:来流攻角与间距比均对四圆柱体结构群绕流特性有较强的影响;来流攻角θ=0°、22.5°、45°下,临界间距比分别为3.5、4.0、3.0;间距比的变化会导致下游圆柱表面压力系数分布发生改变;另一方面,间距比较小时,四圆柱体结构之间的互扰作用均以临近效应为主;随间距比增大,上游圆柱尾流对下游圆柱有显著影响,其互扰作用会转变尾激效应。     

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。     

初始驱动角对半主动拍动翼能量获取的影响

运用浸入边界法研究初始驱动角θ0对半主动拍动翼能量获取性能的影响。半主动拍动翼的运动包括外部力主动驱动的正弦式摆动θ(t)和流体动力被动驱动的垂直运动h(t)。以雷诺数Re=1000下的二维NACA0015翼型为研究对象,数值计算了摆动角振幅θmax=75°和摆动衰减频率f*=0.16下初始驱动角对半主动拍动翼能量获取性能的影响。首先将初始驱动角θ0=0°时不同网格划分下的升力系数演化与已有文献结果进行了对比,得到二者结果相吻合,验证了数值算法的有效性。然后研究了不同的初始驱动角θ0对能量获取性能的影响,研究发现:θ0≤30°时的升力值远小于θ0≥45°的值,θ0≤30°时拍动翼向下运动,而θ0≥45°时升力值快速增大,拍动翼向下做微小运动后快速反弹向上运动;还发现相对于θ0=0°时的能量获取效率为31.22%,在θ075°范围内增大初始驱动角无益于提高能量获取效率,但是在θ0=75°时得到的能量获取效率高达39.21%;同时结果还显示θ0=60°时对净功率的输出最有利。     

圆角化对受迫振动方柱绕流特性影响机理分析

为分析圆角化对低雷诺数下受迫振动方柱绕流特性的影响机理, 对Ansys Fluent软件进行二次开发, 即通过用户自定义函数中的DEFINE_ CG_MOTION宏对柱体周期性受迫振动的函数进行编程, 并对流场计算域进行区域划分以便利用动网格技术中动态层法实现柱体受迫振动, 从而实现对受迫振动柱体绕流流场的流固耦合模拟.在雷诺数Re = 200时, 考虑方柱截面不同圆角的影响, 对均匀流作用下5种圆角化r/D = 1/2, 1/4, 1/5, 1/8和0受迫振动方柱的绕流进行数值模拟, 分析了这5种参数下受迫振动方柱的升阻力系数、尾流涡量和锁定区间的变化规律, 澄清了圆角化对受迫振动方柱稳定性的影响机理.研究表明: 与尖角方柱相比, 圆角化方柱升阻力系数有了明显的减小, 且升力、阻力系数随圆角增大而减小; 低振幅比下圆角方柱的涡旋脱落模式均为2S模态, 涡旋尾迹变窄; 锁定区间范围基本关于F = 1对称, 锁定区间的变化趋势与圆柱类似.      

两不等直径圆柱高雷诺数时均风力场的数值模拟

圆柱间气动干扰研究具有重要的理论和现实意义.尽管国内外开展了圆柱组合风效应的风洞试验研究,但主要针对等直径圆柱,并且雷诺数多为10~5以下.考虑到工程结构风场的高雷诺数特征,采用数值模拟方法,模拟两不等直径圆柱在串列、并列及交错排列下的高雷诺数(Re=4.5×10~5)时均绕流场.通过改变组合的间距和风向,分析探讨两柱阻力、升力及总风力的变化规律.     

LATTICE BOLTZMANN SIMULATION OF POWER-LAW FLOW PAST AN ELLIPTIC CYLINDER

基于格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method) 和幂律流体本构方程, 建立二维流动模型, 将充分发展的速度分布与理论解进行对比, 吻合良好. 对幂律流体的圆柱绕流进行模拟, 采用了反弹格式的无滑移圆柱边界, 并使用应力积分法计算阻力系数, 分析了稳态圆柱绕流时, 阻力系数随幂律指数n 以及雷诺数Re 的变化规律. 分析了椭圆横轴/纵轴长度比和幂律指数n, 对压力系数C_p 和黏度系数C_v 的影响. 得到的变化规律与有限元方法规律一致, 验证了格子波尔兹曼模型的可行性.     

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。     

Lattice-Boltzmann方法在求解钝体绕流非定常尾迹中的应用

应用Lattice- Boltzmann方法计算了水平通道内方柱绕流,分析了不同时刻方柱后尾迹的旋涡结构和发展过程,得到了合理的结果;并进一步对Re=100时的圆柱绕流进行了计算,计算得到的升力系数、脱落频率、圆柱表面的压力系数的分布与他人的计算比较吻合。     

旋转圆柱绕流流场特性分析

对雷诺数Re = 20000 ~ 90000、相对转速ɑ = 0 ~ 0.72的旋转圆柱后方流场进行了实验测量, 分析了旋转圆柱后方不同剖面处的速度分布规律和湍流度分布规律. 采用LES方法对旋转圆柱绕流问题进行了数值模拟, 分析旋转圆柱周围流场特性和自由剪切层变化规律, 最后通过理论模型对流场变化进行分析, 得出如下结论: 当圆柱逆时针旋转时, 同一雷诺数下随着相对转速的增加, 旋转圆柱尾迹区域下方速度突变处的位置随着相对转速的增加而上移, 而上方速度突变处的位置不变, 雷诺数的增加使旋转圆柱尾迹区域下方速度突变处位置有小幅度的下移. 通过数值模拟发现, 圆柱旋转之后, 圆柱后方下侧涡的位置明显上移, 且幅度较大. 下方的自由剪切层有明显的上移, 上方的自由剪切层位置变化较小. 最后通过理论分析发现, 圆柱后侧下方涡位置的上移对圆柱升力影响十分显著, 在高雷诺数、低相对转速的条件下, 旋转圆柱后侧下方涡位置的改变对旋转圆柱的升力、尾流区自由剪切层的变化起到了重要的影响.      

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。     

串列双圆柱体绕流特性与互扰效应研究

基于大涡模拟(LES)方法对亚临界雷诺数(Re=3900)下三维串列双圆柱体绕流问题进行了数值计算。首先,通过求解单圆柱算例来验证计算模型及参数的正确性。然后,着重分析了不同间距比对双圆柱体的流体力系数的影响,并阐述了双圆柱体流场特性变化及其互扰效应内在机理。研究表明:雷诺数Re=3900时,串列双圆柱体绕流临界间距比在3.9～4.0之间;随着间距比的增加,双圆柱体临近流场中二次涡团形成的区域与三维涡结构均会发生变化,导致其结构表面所受的流体力系数在时间与空间上变化的规律性逐渐减弱;达到临界间距比时,流体力系数的变化会呈现出较强的规律性。     

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α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Re=100、错列角度α=0?～90?(间隔15?)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α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Ur=2.0～3.0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;Ur=5.0～8.0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α=15?～30?取得最大值;Ur=10.0～13.0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α=30?～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.     

并列圆柱绕流的格子Boltzmann数值模拟

采用非均匀不可压格子Boltzmann模型对低雷诺数下并列圆柱绕流进行了数值模拟,给出了数值计算结果,分析了间距g对圆柱尾流及升力、阻力的影响,并在此基础上得到了4种尾迹模式.此外,研究了流场的初始扰动对流动分岔现象的影响,发现在适当的扰动下可以很快得到同步同相的尾流.对Re=160和200下圆柱的升、阻力进行了对比,结果表明升力和阻力受间距g的影响大于雷诺数.     

均匀旋转对圆柱水动力及流动结构的影响

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0～10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之后转速比对流场不同模态和增长率的影响.结果表明,随着转速比增大,圆柱下游流动结构依次呈现出卡门涡街、剪切层、反向剪切层、单侧涡和附着涡5种结构;阻力系数时均值先减小,随后在转速进入单侧涡区间后增大,升力系数与力矩系数的时均值均单调增加,同时,在出现涡脱落的两个转速区间内,水动力出现了明显的波动,且二次失稳时波动幅度更大. DMD的结果表明,圆柱下游的流动结构主要受圆柱壁面的旋转影响而发生改变并产生全新流动模态;旋转会对流动稳定性产生影响:在未充分发展阶段,旋转对流动稳定性的影响不显著,而在充分发展后,各转速下的流场不稳定模态数均远少于未充分发展阶段,随着转速比的增大,流动稳定性会产生不同程度的增强或减弱,且无涡脱落时的稳定性高于有涡脱落时,因此,通过旋转控制抑制尾涡脱落可以有效增强流动的稳定性.