弹性支撑斑海豹胡须模型单自由度流致振动实验研究

斑海豹依靠其具有波状外形的胡须,可感知猎物尾迹流场中的涡流,进而循迹追踪.对斑海豹胡须感知涡流特征的机制进行研究具有重要的科学意义和应用价值.本文根据斑海豹胡须的外形参数,制作了1:30的实验模型,在水槽中研究了均匀流场和尾迹流场中单个胡须模型和胡须模型阵列的单自由度流致振动特性,分析了模型振动响应与涡流特征的关联.结...     

涡激诱导并列双圆柱碰撞数值模拟研究

圆柱类结构物的涡激振动是工程中较为常见的一种现象,如果圆柱结构物之间的距离较小, 就会产生涡激诱导碰撞现象,而涡激碰撞会比涡激振动对结构物疲劳破坏产生更严重的威胁.采用浸入边界法模拟流体中的动边界问题,避免了传统贴体网格方法在求解流体中存在固体间碰撞问题时出现数值求解不稳定问题,采用有限元方法对圆柱的运动和碰撞进行求解,通过数据回归方法建立了流体流动条件下的润滑模型,对不同间隙比下涡激诱导并列双圆柱振动及碰撞过程进行了数值模拟, 数值结果表明,如果两圆柱产生了碰撞将会有连续的碰撞发生, 碰撞时出现了多阶频率,振动主频率要比无碰撞时大, 两圆柱碰撞时的相对速度比自由来流速度小;当两圆柱相互接近时, 随着涡环分离角度的逐渐倾斜, 横向流体力先逐渐减小,当两圆柱间涡环开始相互影响发生挤压时, 横向流体力开始逐渐增大;当两圆柱开始反弹时, 两圆柱间形成了低压区, 改变了横向流体阻力的方向,使两圆柱又产生了接近运动,如此反复从而产生了碰撞后横向流体力和圆柱速度的振荡现象.      

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.      

不同控制角下附加圆柱对圆柱涡激振动影响

在弹性支撑的圆柱周围布置直径更小圆柱会影响剪切层发展以及旋涡脱落,进而改变其涡激振动状态.通过不同的布置形式和附加小圆柱个数可以实现对圆柱涡激振动的促进或抑制.激励更大幅值的振动可以更好地将水流动能转化为可利用的机械能或电能,抑制其振动则可以实现对海洋平台等结构物的保护.采用基于迭代的嵌入式浸入边界法对前侧对称布置两个小圆柱的圆柱涡激振动进行数值模拟研究,系统仅做横向振动,其中基于主圆柱直径的雷诺数为100,质量比为2.0,折合流速为3~11.小圆柱与主圆柱的直径比为0.125,间隙比为0.125.结果表明,在研究的控制角范围内(30°~90°),附加小圆柱可以很大程度上改变圆柱涡激振动的状态.当控制角较小(30°)时,附加小圆柱对主圆柱的振动起抑制作用;当控制角为45°~60°时,圆柱的振动分为涡振和弛振两个阶段,在弛振阶段,圆柱振幅随折合流速增加而持续增加;当控制角较大(75°~90°)时,附加小圆柱的促进作用随着控制角增加而减小.进一步地,结合一个周期内不同时刻旋涡脱落以及圆周压强分布,解释了附加小圆柱对主圆柱涡激振动的作用机制.应用能量系数对圆柱系统的进一步分析发现,弛振阶段由流体传递到主圆柱的能量系数随折合流速的增加逐渐下降,旋涡结构的改变是产生这种变化的直接原因.      

不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟

采用浸入边界法对细长柔性圆柱在线性剪切流条件下的涡激振动进行三维数值模拟。细长柔性圆柱振动采用三维索模型模拟,其两端铰接,质量比为6,长细比为50,无量纲顶张力为496。来流为线性剪切流,剪切率从0到0.024变化,最大雷诺数为250。研究发现:剪切流作用下柔性立管横流向振动表现为驻波模式,而顺流向振动表现为行波-驻波混合模式。随着剪切率增大,振动频谱呈现多频响应,振动能量逐渐向低频转移。阻力系数平均值随着展向变化,脉动阻力系数和升力系数的均方根值均表现为“双峰”模式。流固能量传递系数沿立管轴向的分布表明,振动激励区集中于高流速区,而振动阻尼区多位于低流速区。剪切率较小时,圆柱的泻涡为平行交叉模式;剪切率较大时,圆柱的泻涡为倾斜泻涡模式,且由于泻涡频率沿立管轴向变化,尾流发生涡裂现象,形成泻涡频率不同的胞格结构。      

层流条件下并列三圆柱涡激振动响应与尾流形态

应用基于嵌入式压强-力迭代的高精度浸入边界法研究等间距并列三圆柱涡激振动。其中,雷诺数Re=100,间距比T/D=2.0～5.0,圆柱质量比m*=2.0,折合流速Ur=2.0～10.0,忽略振动系统的阻尼且三圆柱仅横向振动。研究发现,圆柱的振动响应随折合流速的增加呈现初始响应分支和下端响应分支两种模式;振幅响应出现不连续现象,且随着间距比的增加,该不连续现象对应的折合流速增加;尾流模式与间距比和折合流速密切相关。共发现六种尾流形态,分别为窄宽窄尾流、不规律尾流、反相同步尾流、调制尾流、同相同步尾流和偏斜尾流。总结并绘制了尾流形态在参数空间[Ur,T/D]内的分区图。     

圆柱涡激振动的结构-尾流振子耦合模型研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta$的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast$值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态.在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.      

绒毛控制圆柱涡激振动的风洞试验研究

利用绒毛对圆柱涡激振动抑制进行了风洞试验研究。通过改变附属绒毛无因次长度L/D比(L为绒毛长度,D为圆柱外径),研究L/D分别为0.6、1.2和1.8的模型在约化速度2~40的范围内对弹性支撑大质量阻尼系数圆柱涡激振动的抑制作用。试验采用激光位移传感器采集圆柱的横向(Y)和顺流向(X)位移,并用烟线测流场以揭示流动控制机理。结果表明,三种无因次长度的绒毛对大质量阻尼系数圆柱的涡激振动都有显著的抑制作用,随着L/D的增加,圆柱Y向无因次位移及功率谱密度幅值减弱,多达73.5%的无因次位移被抑制;且随着L/D的增加,圆柱附属绒毛频率比远离原始圆柱频率比。绒毛改变了圆柱的边界层分离点位置、抑制了边界层的相互作用并改变尾涡结构,从而抑制振动。     

倾斜圆柱结构涡激振动研究进展

圆柱结构涡激振动现象在生活中十分常见,如海洋工程中的管道、土木工程中的高耸建筑、桥梁斜拉索,核工程中的热交换器等频繁受到涡激振动影响,诱发结构的疲劳损伤,甚至破坏失效.现阶段,人们对垂直来流作用下圆柱结构涡激振动机理已有较为全面的认识.然而,当圆柱倾斜置于流场中,结构后缘的尾流形态与垂直放置差异显著,结构与流体的耦合作用机理更为复杂.为简化倾斜圆柱涡激振动问题,提出了不相关原则,来流速度被分解为垂直圆柱结构轴向和平行圆柱结构轴向的两个速度分量,仅考虑垂直结构轴向速度分量的影响,忽略平行结构轴向速度分量的影响.近年来,针对倾斜圆柱涡激振动及不相关原则的适用性,出现了大量实验和数值模拟研究成果.为了深化对倾斜圆柱结构涡激振动相关机理的认知,本文全面阐述了倾斜圆柱结构涡激振动响应规律、尾迹流场模式和流体力特性等方面的研究进展,分析了不相关原则的适用范围,探讨了倾斜圆柱结构涡激振动抑制措施,并对今后该领域的研究进行了力所能及的展望.     

海洋柔性结构涡激振动的流固耦合机理和响应

对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述,尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征,包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等,对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望.     

高超声速层流尾迹的数值模拟

本文利用无波动、无自由参数、耗散的差分格式(NND格式),通过求解NS方程,数值模拟了高超声速层流尾迹的流动,清晰地给出了主激波、拐角膨胀波、迹激波及自由剪切层,所得流场物理量的分布与实验结果甚为一致。计算发现了底部迴流区由起始向定常的发展中,在瞬时流线图上经历了极限环形成、胀大、缩小、再胀大最后消失的演变过程。     

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.     

TOWARDS A NEW MODEL-FREE SIMULATION OF HIGH-REYNOLDS-FLOWS: LOCAL AVERAGE DIRECT NUMERICAL SIMULATION

Studies on the numerical simulation of high-Reynolds-number flows encounter difficulties due to the wide range of characteristic length and time scales existing in the flow field. These are often much smaller than the computational grid size. A new approach based on a ‘model-free ’ local average direct numerical simulation is presented which incorporates a strategy to filter the non-resolvable scales by means of an integration over the domain and to recover the contribution of the subgrid scales by using an integral formulation developed for them. The resulting weak formulation allows us to define a numerical flux that, thanks to the filtering operation, is highly accurate. Several computation test-cases concerning theoretical accuracy and the Navier–Stokes equations at high Reynolds number are carried out without using any turbulence model. The obtained accuracy for all computations confirms that this approach can be considered a valid contribution in the field of direct numerical simulation.     

返回舱三维高超声速绕流及近尾迹流场数值模拟

为使返回舱安全、稳定、可靠地飞行，准确地计算其周围的复杂绕流流场，对飞船的初步设计是十分必要的。用Ｈａｒｔｅｎ－Ｙｅｅ的二阶迎风ＴＶＤ有限差分格式求解薄层Ｎ－Ｓ方程，模拟了返回舱三维高超声速流场，Ｍ＿∞＝７．３５，Ｒｅ＿∞＝７．５×１０￣５，α＝１０°、２０°。给出了详细的绕流结构，不同攻角、不同子午面上的物面压力分布与Ｍｏｓｅｌｅｙ和ｗｅｌｌｓ的实验数据进行了比较，符合较好。通过分析表明，在一定的攻角下，倒锥体上低压区压力的计算精度，对力矩系数及压心位置仍有明显的影响。     

单一水平轴风电机组尾迹的模拟方法与流动机理研究综述

为实现碳达峰、碳中和“3060”目标, 风能将在我国能源体系发挥重要作用. 风力机尾迹是影响风电性能和度电成本的关键因素, 需在风力机布置和控制设计中充分考虑. 本文首先介绍风力机尾迹的数值模拟方法, 包括解析模型、低阶模型、大涡模拟和来流湍流生成方法. 解析模型和低阶模型可快速计算风力机尾迹, 但依赖于模型参数, 且不能或不能准确预测尾迹湍流特性. 结合风力机参数化模型的大涡模拟可准确预测尾迹蜿蜒等湍流特征, 是流动机理研究的有力工具, 可为发展快速预测模型提供数据和理论支撑. 接着, 本文介绍了叶尖涡、中心涡和尾迹蜿蜒并讨论其产生机理. 对于湍流来流, 叶尖涡主要存在于近尾迹. 蜿蜒是远尾迹的主要特征, 影响下游风力机的来流特征. 尾迹蜿蜒的产生有两种机制: 来流大尺度涡和剪切层失稳. 数值和观测结果显示两种机制共同存在. 机舱和中心涡对尾迹蜿蜒有重要影响. 采用叶片和机舱的致动面模型可准确预测尾迹蜿蜒. 研究显示不同风力机尾迹间的湍流特征存在相似性, 为发展尾迹湍流的快速预测模型提供了理论依据. 当前研究多关注平坦地形上的风力机尾迹, 复杂地形和海洋环境下的大气湍流和风力机尾迹的机理复杂, 现有工程模型无法准确预测, 有待深入研究.      

高超声速粗糙元诱导转捩的数值模拟及机理分析

采用直接数值模拟方法细致刻画了钻石型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了钻石型粗糙元诱导转捩的机理. 流动结构的拓扑分析表明,钻石型粗糙元头部区域和底部区域分别存在不稳定的鞍点-鞍点(SS) 型轨线和鞍点-结点-鞍点(SNS) 型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构. 边界层流动失稳过程计算分析表明,钻石型粗糙元会产生高波数扰动,并发现在扰动发展过程中大尺度结构会破碎. 两种不同类型的流动失稳效应同时存在. 此外,通过不同类型粗糙元(圆柱、斜坡及钻石型) 的对比,揭示了不同类型粗糙元诱导转捩机理的差异,为高超声速人工转捩装置设计提供了基础理论支撑.      

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.      

可压缩各向同性衰减湍流直接数值模拟研究

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性 和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等. 研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大 尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量(压缩)耗散率所占比率也显著增长. 标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高(p ≥ 5)时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立. 对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的 间歇性要强于横向湍流脉动.