Magnus效应旋转圆柱水动力性能分析

为研究Magnus效应旋转圆柱水动力性能，采用大涡模拟（LES）模型对Magnus效应旋转圆柱进行数值模拟，分析旋转圆柱的长径比、转速比、雷诺数对其升力及三维流场的影响，模拟旋转圆柱升阻力变化趋势和尾部流场涡的脱落过程。结果表明：当转速比大于1.5时，旋转圆柱的升阻比随长径比一直增加；升阻比随转速比的变化规律是以1.7为界先升后降；旋转圆柱脱落的旋涡轨迹与来流形成一定的夹角，且角度会随转速比逐渐增大；当转速比大于1.75时，卡门涡街消失，旋转圆柱尾涡长度逐渐缩短，最终只有圆柱上表面发生涡旋脱落，下表面的涡不再脱落，附着在圆柱表面；雷诺数会改变旋转圆柱尾部流场，使升阻比先增加，达到峰值后以相反趋势下降。     

近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析

[目的]为探讨近壁旋转圆柱尾流及流体力特性,对典型间隙比下旋转圆柱绕流进行研究。[方法]对雷诺数Re=200下3种典型间隙比（G/D=0.2,0.8,1.4）的旋转圆柱绕流展开数值模拟,对比不同间隙比和转速比下的圆柱尾流及流体力特性。[结果]结果显示：当G/D=0.2时,圆柱表面脱涡会受到显著抑制,圆柱表面升阻力无波动;当G/D=0.8和1.4且转速比较低时,会发生“尾流涡”脱落现象,其结构与2S模式相似,升阻力系数呈正弦周期性波动,振幅较小;当正旋转速较大时,圆柱表面无漩涡脱落,形成稳定的D模式尾流（随转速比增大由D+模式变为D-模式）,“尾流涡层”与“壁面涡层”发生分离,“壁面涡”呈现多周期性脱落现象,升阻力系数呈多周期波动,振幅显著增大;当反旋转速较大时,圆柱表面被一层正涡量的涡层包裹,漩涡脱落受到显著抑制,升阻力无波动。[结论]所得结论可为高效流动控制技术发展提供参考。     

动波壁对圆柱体涡激振动的抑制作用研究

文章基于有限体积法,通过控制壁面的波动方式,考察了动波浪壁面对低雷诺数下两自由度弹性支撑圆柱体涡激振动的抑制作用。结果表明:由圆柱两侧向下游行进的壁面波能抑制漩涡的脱落;适当的壁面波动频率能大幅降低圆柱的横向振动;当雷诺数Re=500时,随着约化速度的增大,动波壁圆柱的横向位移值相对标准圆柱体始终维持在较低值区间内(0～0.05D),动波壁圆柱流向位移值相对标准圆柱体的减小幅度逐渐增加。     

低雷诺数圆柱绕流的大涡模拟分析

以二维圆柱为研究对象,采用大涡模拟的方法对圆柱绕流进行数值模拟。计算的雷诺数Re=400。计算结果能够清晰地反映卡门涡街的周期性脱落。通过对圆柱表面压力分布的深入探究,揭示圆柱尾流中产生周期性旋涡脱落的原因。研究结果中的阻力、升力呈周期性变化规律以及斯特劳哈尔数(St)都与前人实验结果较好吻合,说明大涡模拟能够对低雷诺数的圆柱绕流进行准确的模拟。     

基于IVCBC涡方法高雷诺数下串联双圆柱的数值计算模型及其尾流特征研究

针对串联双圆柱的结构特点,利用IVCBC涡方法适合高雷诺数下数值计算的特点,建立了高雷诺数下串联双圆柱绕流的数值计算模型;采用经典算例验证了IVCBC涡方法的收敛性;探索了雷诺数为2.5×104、间隙比分别为1.1,1.25,2,2.5,3,3.25和4的串联双圆柱绕流的尾流特征;清晰地展示了尾流中较小的漩涡的形成、分裂和融合,详细地阐述了串联双圆柱流体特征发生突变的原因;深刻地揭示了串联双圆在高雷诺数下的绕流机理。研究表明:尾流模式与经典的实验尾流模型吻合较好,两圆柱中间的涡对是串联双圆尾流发生突变的主要原因;间隙之间时,间隙上部小漩涡形成、间隙中间流体的振动与下游圆柱表面上涡的脱落是同步的;该流体模式能清晰地展示尾流中较小漩涡,说明与有网格方法比较,该计算模型具有较大的优越性,为进一步研究高雷诺数下串联双圆柱流体力的特征提供了重要的研究工具。     

基于格子Boltzmann方法的船舶风力助推转子绕流特性

风力转子推进装置节能环保,降低推力成本,有利于船舶行业的绿色发展。基于多松弛格子Boltzmann方法,对并列风力助推转子绕流进行数值模拟。首先模拟单圆柱绕流的流动特性,以验证程序的可靠性,重点探究双圆柱的间距比和转速比对圆柱绕流特性的影响。获取圆柱的升阻力系数以及尾流流型,验证临界转速比的存在。结果显示:旋转可以有效地抑制涡的生成和脱落,当转速比达到临界转速比时,漩涡彻底消失,流场变得稳定;时均升力系数的绝对值和时均阻力系数随转速比的增大分别增大和减小。     

基于格子Boltzmann方法的船舶风力助推转子绕流特性

风力转子推进装置节能环保,降低推力成本,有利于船舶行业的绿色发展。基于多松弛格子Boltzmann方法,对并列风力助推转子绕流进行数值模拟。首先模拟单圆柱绕流的流动特性,以验证程序的可靠性,重点探究双圆柱的间距比和转速比对圆柱绕流特性的影响。获取圆柱的升阻力系数以及尾流流型,验证临界转速比的存在。结果显示:旋转可以有效地抑制涡的生成和脱落,当转速比达到临界转速比时,漩涡彻底消失,流场变得稳定;时均升力系数的绝对值和时均阻力系数随转速比的增大分别增大和减小。     

不同模型及不同载荷形式对单层圆柱壳声振特性的影响分析

螺旋桨轴系激励作用下水下航行器的尾部结构会产生低频辐射噪声,针对尾部结构的声振特性开展研究很有必要。本文以水下加肋圆柱壳为对象,采用有限元耦合声学边界元计算了加肋圆柱壳的辐射声功率,针对尾部噪声分析的3种模型:整体三维模型,尾部三维模型+首部梁模型的混合模型,尾部截断模型,分析讨论3种不同模型处理方法对声辐射特性的影响。结果表明采用尾部截断模型计算辐射声功率时在低频段与整体三维模型的误差较大,混合模型在趋势上与整体三维模型吻合较好。对比尾端部不同方向激励力对环肋圆柱壳声辐射特性的影响,结果表明横向和垂向激励对环肋圆柱壳的辐射声功率没有影响,但是对远场声压指向性有较大影响。     

声类比水下圆柱绕流声学特性研究

本文以三维刚性圆柱为研究对象,开展了基于大涡模拟和Lighthill声类比理论的混合数值模拟方法研究,确定了合适的声学计算模型参数。结合噪声频域特性和声学指向性,对比分析了不同雷诺数(Re=4.3×10~4、Re=1.0×10~5、Re=1.8×10~5和Re=2.5×10~5)、不同间距比(L/D=2、3、4和5)和不同排列方式(串联、并联和交错45°)下有限高单圆柱及双圆柱的水动力噪声特性,讨论了雷诺数、间距比以及排列方式对圆柱绕流水动力噪声的影响,为实现水下钝体和航行器流噪声的精确预报提供了详细的数值模拟方法指导。     

关于二维平面圆柱涡激振动的数值模拟

利用有限元软件Adina建立平面二维圆柱绕流的数值模型,模拟低雷诺数条件下流体与圆柱间的涡激振动。随着流速加大,圆柱振动经历非锁定一锁定一脱离锁定的过程,由于锁定形态下圆柱振动与尾涡脱落引起的流体力形成共振,使圆柱的振幅增大。仅考虑圆柱顺流向振动时,横流向振幅略有增加;同时考虑圆柱在平面内的旋转和顺流向振动时,横流向振幅显著增加、锁定区间加宽,且质量比越低变化就越明显。     

向前射流对圆柱绕流影响的数值研究

本文对前驻点带有射流的圆柱绕流问题进行研究,采用有限元求解器进行二维数值模拟。在圆柱前驻点布置单缝式射流口,沿来流反方向,向前射流以影响圆柱的绕流流场。通过比较有无射流时圆柱涡旋脱落的不同效果,研究射流对圆柱绕流的影响机理。改变射流速度的大小,比较不同射流速度下,圆柱受力以及涡旋脱落的变化。结果显示,在一定的射流速度范围内,向前射流可以有效控制圆柱的涡旋脱落,并减小圆柱受力。     

亚临界区雷诺数下电磁力控制圆柱绕流场特性研究

采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下圆柱绕流场及其升阻力特性进行了数值模拟与分析。研究结果表明,在亚临界区雷诺数下电磁力可以提高圆柱体边界层内的流体动能,延缓圆柱体近壁面流动分离,减弱绕流场中流向和展向大尺度涡的强度,减小圆柱体阻力及其升力脉动幅值;当电磁力作用参数大于某个临界值后,流动分离角消失,在圆柱体尾部产生射流现象,电磁力产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值显著减小且接近于零。     

舵机非稳态激励识别及瞬态声辐射分析

当水下航行器利用舵机改变航向时,舵机的开启会产生很大的瞬态辐射噪声。因此,在舵机安装之前,有必要对舵机的源特性进行评估。文章基于某水下航行器的舵机振动测试试验,应用频域载荷识别中的最小二乘法方法和短时傅里叶变换的信号处理技术,对舵机操舵过程中舵机与试验台架连接的机脚点处的瞬态最大激励力和整体平均激励力分别进行了间接估算,并将估算结果的准确性和可行性进行了验证。考虑到加肋圆柱壳是水下航行器的基本结构形式,文中将估算的激励力结果作为辐射声计算的近似输入,以一个两端简支的加肋圆柱壳体作为水下航行器的一个舱段的计算模型,分别计算了舵机操舵过程中水下瞬态最大和整体平均辐射噪声的大小,提出了一种利用短时傅里叶变换信号处理技术来评估舵机水下瞬态辐射噪声的方法。     

无限长圆柱绕流的三维数值模拟

采用大涡模拟对亚临界区内(Re=3900)三维圆柱绕流现象进行了数值模拟研究,分析了圆柱体表面的受力以及圆柱后流场的时均特性与瞬时特性。结果表明,当Re=3900时圆柱体表面与流速方向相反的压力差引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,这使得圆柱表面的升力呈现"准周期性"的振动变化,并在圆柱后近流场出现了回流区。研究还发现圆柱周围的流动沿圆柱展向呈现出明显的三维特性。     

考虑流固耦合效应的圆柱尾板流场控制效果比较研究

基于流固耦合方法对分隔板圆柱绕流进行数值模拟研究,分析了雷诺数Re=200时,分隔板长度(D≤L≤3D,D为圆柱直径)对圆柱受力和周围流场的影响。结果表明：分隔板长度L≥2D时,考虑流固耦合后柔性分隔板圆柱的升力系数大于刚性分隔板圆柱,且随板长增加升力系数不断提升,阻力系数也相应增大；柔性分隔板尾缘流场受自由端上下摆动影响,未出现小尺度旋涡,同时分隔板上、下表面均出现旋涡。此外,流固耦合条件下尾缘旋涡结构模式将发生变化,刚性分隔板圆柱尾迹旋涡为2P型,柔性则为2S型；随分隔板长度增加,柔性分隔板自由端发生偏转,增加了对流场的额外扰动,分离流的旋转特性受到抑制,斯特努哈尔数(Strouhal, St)均小于刚性分隔板(除分隔板L=2D外),同时脱落涡的涡强及脱落频率均有所降低。     

不同工况下有限长圆柱绕流实验测量及分析

为了研究不同工况对有限长圆柱绕流升阻力系数及尾流场的影响规律,采用CFD与实验相结合的方法,对三维有限长圆柱在不同长径比和雷诺数工况下的流动进行了模拟和实验验证。结果表明,在长径比AR≤3时,有限长圆柱的阻力系数几乎不受长径比的影响,但随雷诺数的增加有一个逐渐减小的趋势。对流场的分析发现,圆柱自由端的存在使流动具有更明显的三维特性,自由端的"下洗"作用会绕过自由端冲击圆柱后方的漩涡脱落,导致阻力系数小于无限长圆柱。在长径比AR≥6时,漩涡在圆柱的中下部周期性出现,并且几乎与圆柱平行;在圆柱的中上部,呈现出一定的角度。本文研究结果可为海工结构设计提供一定的数据参考。     

旋转圆柱绕流的流场特性

在亚临界区Re=1.4×105条件下,基于大涡模拟（LES）方法对均匀来流作用下的旋转圆柱绕流进行了数值模拟。通过与非旋转时的实验和计算结果比较,验证了文中计算的准确性。在此基础上,对不同转速条件下（0≤α≤2,α为圆周线速度与自由来流速度的比值）的圆柱绕流进行了数值研究。结果表明,圆柱旋转可以有效地抑制其旋涡脱落,随着转速的增加,可大幅提高其升阻比,主要表现为阻力系数减小而升力系数线性增大。当α=2时,阻力系数和升力系数在经过短暂过渡期后达到稳定。     

上游静止柱体对圆柱体结构尾激振动的影响

文章运用半隐式特征线分裂算子有限元算法对串列布置的静止上游柱体和下游圆柱的尾激振动问题进行了数值模拟研究。数值结果表明:上游柱体结构的形状、尺寸比(d/D)和折减速度(Ur)三个参数对下游圆柱体结构的动力响应、运动轨迹与涡脱落模态有着显著的影响,且与单圆柱工况相比存在明显区别;随着尺寸比的增大,上/下游柱体结构之间的互扰作用会由流致效应逐渐转变为尾流效应,使得频率特性发生变化,并会导致下游圆柱体结构的振动响应增强;当d/D=0.5和1.0时,下游圆柱体结构的运动轨迹主要为“8”字形;当d/D=1.5时,除了“8”字形外,运动轨迹还会呈现双弯刀形、“双8”字形和不规则形状。通过对流体力系数与位移时程曲线及位移PSD曲线特性进行分析,揭示了其相互作用的内在机理。另外,下游圆柱体结构的尾流场特性也会随参数的变化而变化,其涡脱落模态主要为2S、P+S和2P三种。     

串列双圆柱涡激振动数值模拟

基于计算流体力学技术开展了低雷诺数Re=150条件下串列双圆柱单自由度涡激振动的数值模拟研究,分析了不同间距比L/D=1.5~5.0、约化速度V_r=3~13条件下串列双圆柱结构动力响应和尾流旋涡脱落特性.结果表明间距比的变化改变下游圆柱锁定区间.对于各个间距比下的上游圆柱其动力响应和单圆柱涡激振动基本相同,而对于下游圆柱其动力响应明显与单圆柱不同.研究还发现存在一个临界约化速度V_(r,crit),当V_rV_(r,crit)时,上游圆柱振幅大于下游圆柱振幅;而当V_rV_(r,crit)时,下游圆柱振幅大于上游圆柱振幅.此外,文中还对不同间距比条件下上、下游圆柱尾流旋涡脱落形态展开了相应的研究.     

均匀粘性流体中截断直立圆柱体受迫振荡的三维数值模拟

研究了直立截断圆柱体受迫振荡时的三维绕流问题.以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,采用有限体积法和PISO算法,以自身泻涡频率为振荡频率建立数值模型对受迫振荡圆柱体进行研究分析.分析对比了受迫振荡圆柱体与静止圆柱体力系数差别及流场特性,并取多组雷诺数对柱体的力系数和流场进行了研究分析,总结了受迫振荡圆柱体力系数幅值及平均力系数随雷诺数的变化规律.