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。     

圆柱绕流的非线性动力学

本文利用非线性动力学的概念和方法来研究粘性不可压缩流体的二维圆柱绕流问题．计算了定常流失稳以及出现混沌的临界雷诺数，并估计了混沌解的一些统计特征．     

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.     

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     

弹性支撑圆柱绕流稳定性分析

基于CFD 技术,采用系统辨识方法,建立了亚临界雷诺数(Re < 47) 下绕圆柱流动的非定常气动力模型(reduced order model, ROM). 耦合结构运动方程和降阶气动力模型,建立了弹性支撑圆柱绕流的稳定性分析模型. 算例分析了亚临界雷诺数下,结构固有频率、质量比等参数以及支撑方式对弹性系统稳定性的影响. 对于单自由度横向支撑圆柱,当结构固有频率趋近流动最不稳定模态频率时,弹性系统会在一定频率范围内失稳,这种现象最低可在Re~20 时出现. 旋转自由度的释放能够进一步降低系统的稳定性,可将临界雷诺数进一步降低至18 左右. ROM 方法不仅具有很高的效率,而且清晰地指出了弹性系统失稳的根本原因:流动模态和结构模态耦合作用导致结构模态失稳所致. 因此,失稳状态下系统振荡频率锁定于结构固有频率. 基于ROM 技术预测的失稳边界与直接CFD/CSD 仿真结果吻合,证明了该方法的正确性和精度.      

侧柱对串列双柱脉动压力的干扰

研究了串列双圆柱旁加上一个等直径的圆柱，组成一个等边三角形排列的三圆柱的脉动压力分布．着重研究侧柱对串列双圆柱脉动压力分布的影响．研究的结果表明，绕流等边三角形排列的三圆柱，受影响最严重的是后柱．脉动压力分布出现了严重的不对称，外侧的压力脉动极其强烈，内侧的压力脉动较弱，与时均压力分布，很好的对应关系．另外，侧柱对于串列双圆柱是否达到超过临界间距的绕流流态，有很大的影响     

DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBINE CASCADE FLOW WITH HEAT TRANSFER EFFECTS

低雷诺数流动对高空动力装置, 特别是涡轮部件的性能产生重要的影响. 本文采用具有7阶精度的差分格式, 通过直接求解二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程组, 对雷诺数为241 800 (基于叶片弦长)时的叶片表面带有热传导效应的平面涡轮叶栅流动进行了二维直接数值模拟, 对低雷诺数平面涡轮叶栅流动的非定常流动现象作了初步的探索.数值结果表明:在叶栅通道入口处, 流场的非定常性很弱;在叶栅尾缘处, 具有正负涡量的尾涡交替地从压力面和吸力面上脱落;周期性的涡脱落使得叶栅通道内和尾迹区的总压发生(准)周期的变化, 并且, 尾迹区总压变化主频率是通道内总压变化主频率的2倍;在时均流场中, 叶片表面压力的分布与实验值吻合良好, 表征热传导效应的斯坦顿数除湍流区外与实验值基本吻合;尾迹区速度脉动的2阶统计量与圆柱绕流尾迹区速度脉动2阶统计量具有基本相似的分布特征.     

圆柱绕流Strouhal数的测定一个新的综合性流体教学实验

亚临界状态下的圆柱绕流,背后卡门涡街旋涡脱落的频率与来流速度、圆柱直径有关,具体关系式为流体力学中一个有关不定常流动的相似参数—Strouhal数等于一个常数.用热线风速仪(或压力传感器)进行测量,并经微机采样和FFT运算,从功率谱可分析旋涡脱落的频率.文中验证了在亚临界范围内Strouhal数为常数的事实.     

串列双圆柱同步测压实验结果的相关分析

本文在雷诺数2×104下,同步测量了12个不同间距下串列双圆柱的表面压力分布,积分得到脉动升、阻力的时间历程,并对前、后柱之间的脉动升、阻力以及脉动升阻力和圆柱表面的脉动压力进行了相关分析.在本实验中,串列双圆柱流态切换的临界间距比在3.5～4.0之间,在临界间距前后,相关曲线的形态差别很明显.当串列双圆柱之间的距离小于临界间距时,前后柱之间的影响显著,造成脉动升/阻力和脉动压力之间的相关程度下降.串列双圆柱之间的距离大于临界距离时,前、后柱的脉动升力之间的相位差随间距线性增加.分离点的脉动压力和脉动升力之间以及背压和脉动阻力之间都有较好的相关性,可以用分离点的脉动压力和背压来分别表征脉动升力和脉动阻力.     

湍流涡致振动频率特性

用数值模拟方法对固定圆柱湍流涡脱落频率与弹性圆柱湍流涡致振动频率特性进行了研究,湍流计算模型采用标准κ-ε模型,压力泊松方程提法基于非交错网格系统.研究结果表明:固定圆柱湍流绕流涡脱落频率基本不随雷诺数而变,对于同一固有频率弹性圆柱,涡振频率基本不随雷诺数而变;对于某一固定雷诺数流动涡振频率在一定范围内与系统固有频率有关.     

圆柱绕流三维不稳定性的低维Galerkin法分析

利用低维Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法及Ｆｌｏｑｕｅｔ稳定性分析理论,计算分析了圆柱绕流的三维线性不稳定性．分析中构造了能较好描述尾迹区流动的周向基函数,建立了完备的合理的基函数组,改进了计算机算法．结果证实圆柱二维周期流对展向小扰动为不稳定的,正确地预计了出现三维长波不稳定性的临界雷诺数Ｒｅｃ＝１９０;扰动展向波长为λｃ一３．６ｄ．对雷诺数Ｒｅ为１８０,１９０两种工况下的圆柱三维绕流流场的计算进一步证实了这种流动的整体不稳定性．本文所预计的临界值比Ｎｏａｃｋ等人的结果更为精确,与Ｂａｒｋｌｅｙ等人的ＤＮＳ解一致,与Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ的实验相符．     

串列双方柱体流体动力载荷研究

本文通过流动显示,热线测频和流体动载荷测量在水槽中研究了绕经不同柱间距比S/D(S为双柱间距,D为柱体截面宽)串列双方柱体流动特性。实验雷诺数为Re=6×10~3,柱间距比0.5≤S/D≤10实验测量了涡脱落频率、时间平均阻力、动态阻力和动态升力。通过实验结果综合分析给出临界柱间距范围2.5≤(S/D)_(cr)≤3.0,并将串列双方柱流动随柱间距的变化划分为二种流态区。在临界柱间距,作用于双柱体的流体载荷、涡脱落频率以及流谱都发生跃变。文中分析讨论了两个流态区的特性以及在临界柱间距出现的双稳态特性。     

分块法研究圆柱绕流升阻力

使用新的分块耦合方法，分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值模拟．对于单圆柱绕流，低Re下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近．对于串列双圆柱绕流，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响，计算结果与实验非常吻合，为进一步研究涡致振动提供了依据．     

明渠流动若干特性初探

解析定量计算了光滑边壁条件下明渠内部平均流和脉动流能量间的分配关系,得到了平均流粘性耗散能量、脉动流能量、脉动流取自平均流能量之间的关系表达式.分析了能谱的结构形式,从工程应用的角度初步勾勒了恒定流动光滑边壁条件下明渠内部能量分布的轮廓.讨论了壁面剪切流层内的流场结构和特性,研究了Navier-Stokes方程的标度变换等一些定量的指标,从标度和流速分布之间的相互关系入手,对这些指标及其间的相互关系进行了讨论.分析了二维平行壁面剪切流内部流动结构的机理和特性,指出能量传递和不同阶段的不同结构有关,能量耗散和扩散与共振和锁频密切相联系.从另一个角度阐释雷诺数的物理意义,以突出雷诺数和涡之间的关系,强调雷诺数是空间点和时间的函数.     

分块法研究圆柱绕流升阻力

 使用新的分块耦合方法，分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值 模拟. 对于单圆柱绕流，低$Re$下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近. 对于 串列双圆柱绕流，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所 产生的影响，计算结果与实验非常吻合，为进一步研究涡致振动提供了依据.     

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。     

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。     

亚临界雷诺数线性剪切流场中圆柱的气动升力特性研究

通过风洞模型试验和数值模拟研究亚临界雷诺数范围内线性剪切流场中圆柱的气动升力特性.剪切流强度采用由速度梯度、圆柱半径及圆柱中心前方来流的平均速度所定义的无量纲剪切参数β来表示.在风洞模型试验中使用主动控制风洞来方便地生成线性剪切流.在数值模拟中采用基于动态Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟方法.研究发现,在亚临...     

利用O型环抑制圆柱绕法流涡脱落的数值研究

圆柱绕流涡脱落诱发较大的振动和声,如何有效地抑制值得关注.利用大涡模拟技术求解了Navier-Stokes方程,得到了涡脱落频率,升力脉动幅值及平均阻力系数.计算表明二维模拟不能体现流动基本特征,三维计算与实验吻合较好.为了抑制涡脱落,在直径为D的圆柱表面装入间距为1D,直径为0.0167D的O型环.通过升力、速度谱分析以及柱向横截面流场分析可知,在光滑圆柱外表面加入O型环能诱发流体边界层分离,有效地抑制涡脱落现象,升力脉动和观测点速度脉动幅值几乎完全消失,阻力系数也略微降低,适合在实际工程中采用.     

后柱横向振动串列双圆柱尾迹特性

本文采用电化学显示方法和热线技术就雷诺数为10~2—10~3,后柱横向振动串列双圓柱尾迹和涡街进行了研究。双柱间距为1.5≤s/d≤10,后柱振动振幅为0.1d和0.3d。首先,本文得到了低雷诺数情况下,串列双圆柱绕流旋涡脱落频率随柱间距和雷诺数的变化规律。并且,通过流谱分析,对于出现频率间断现象给予了说明。其次,本文着重研究了振动情况下尾迹特性。当后柱以静止双柱涡脱落频率强迫振动,涡脱落和柱振动之间将发生联锁反应。本文实验揭示了联锁区奇特的涡街流谱——二次涡、涡的聚集和涡街伸长。