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。     

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。     

基于重叠网格的风力助推转子绕流研究

利用风力助推转子辅助推进在实际工程中广泛应用,但以往的研究多局限于低雷诺数和单圆柱的范畴。本文基于重叠网格技术研究亚临界雷诺数范围内串列双圆柱体绕流,寻找合适的转速比实现航行器辅助推进。研究结果表明,旋转圆柱体产生的横向力可以为航行器提供辅助动力。然而转速比较大时,上下游圆柱产生的横向力差距变大,这对航行器的航向稳定性不利。要消除这种不利的影响,下游圆柱体需要更大的转速比才能平衡这个扭矩。随着转速比的增加,旋转圆柱体的尾涡由交替脱落转变为无明显的漩涡脱落,上游圆柱体对下游圆柱体的影响逐渐削弱。     

斜流作用下清洗机器人流场大涡模拟

针对清洗机器人受水流作用的工作稳定性问题，采用大涡模拟方法对雷诺数Re分别为300、3 000、30 000等3种来流条件下的水下机器人流场动力学特性进行数值模拟，分析其时均流场、瞬态涡结构和受力特性。结果表明：紧贴船壳壁面的水下机器人周围流场稳定性很高，壁面效应使机器人尾涡脱落受到抑制；随雷诺数增加，流体边界层厚度减小，阻力系数和侧向力系数逐渐增大；雷诺数为30 000时，阻力系数为0.53，侧向力系数为0.28，侧向力控制是水下机器人后续研究的重点。研究结果能为清洗机器人工作过程的稳定性研究提供理论依据。     

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。     

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。     

亚临界区雷诺数下电磁力控制圆柱绕流场特性研究（英文）

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。     

电磁力控制翼型三维绕流场特性的数值研究

在弦长雷诺数Re_L=2.97×10~6下,采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下翼型绕流场特性进行了数值模拟,研究了电磁力作用控制翼型失速攻角时绕流场中三维流动特性及失速问题的规律和机理。结果表明:电磁力作用可有效改善翼型周围的流场结构,显著减小翼型绕流场三维特性,并使翼型表面流体动能增加,当电磁力作用足够大时,其表面涡量转变为正向涡量。同时,电磁力作用可增加翼型升力,减小阻力,显著减小升阻力脉动特性,提高翼型升阻比,还可以显著延缓翼型失速特性,增加失速攻角,提高工作性能。     

凹坑表面圆柱的尾流特性

为了阐明凹坑表面圆柱后流特性，采用粒子图像测速技术（PIV）对凹坑表面圆柱后流流场进行了测量，同时利用本征正交分解法（POD）对凹坑圆柱流场进行分解。在试验雷诺数为1.17×10⁴时，研究光滑圆柱及凹坑表面圆柱尾流的时均速度场、POD模态能量分布、POD模态系数以及POD模态系数的相关性。结果表明：凹坑表面能够产生涡垫效应；凹坑表面圆柱的模态1和模态2所包含的能量低于光滑圆柱，旋涡脱落过程被影响，涡街的形成延迟，但是凹坑圆柱的旋涡脱落频率略大于光滑圆柱。此外，凹坑表面圆柱的POD模态系数的相关性特征被破坏。凹坑圆柱的POD模态系数的相关性，说明凹坑结构削弱了涡脱落过程。凹坑圆柱的能量分布相对分散。     

平板上直立有限长圆柱的涡街特性分析

文中以平板上直立的有限长圆柱为研究对象,通过数值模拟的方法,研究其绕流场的特性.通过大涡模拟的数值方法研究了高度-直径之比（以下简称长细比）为7,雷诺数为6×10^4时有限长圆柱的绕流场.文中通过采用高精度三维结构网格,求解稳态流场,模拟了圆柱顶部的尾拖涡带和流动的下洗现象;通过求解非稳态流场,模拟了涡的脱落、涡在尾流中的演化过程及下洗涡与卡门涡的相互作用.文中的模拟结果很好的反映了各个涡的结构和演化特性,与试验结果吻合较好.     

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。     

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.     

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。     

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。     

基于DES模型的变截面圆柱绕流数值模拟

针对海洋结构物"卡门涡街"现象抑制或加强的不同用途,基于CFD方法,采用分离涡(DES)模型,对均匀来流下低雷诺数单圆柱绕流进行二维模拟,验证DES方法在低雷诺数时圆柱绕流模拟的可行性,开展低雷诺数下3种变截面圆柱绕流二维数值模拟研究,分别取特征长度D=0.07m,0.09m,0.12m,分析相应的升阻力系数、压力云图、涡量图等,得到不同流体参数和涡脱落形态变化规律。比较得出在二维模型下,当圆柱横截面特征长度改变时,"卡门涡街"现象会发生一定的加强或减弱,并从抑制或利用两个方面给出相应建议。     

具有自由液面效应的圆柱绕流三维数值模拟

基于计算流体力学软件CFX、应用RNG k-ε湍流模型、结合流体体积法(VOF法)模拟均匀流场中半沉浸三维圆柱运动,分析自由液面对圆柱尾迹以及圆柱表面水动力特征参数的影响。结果表明:在自由液面流场中,雷诺数较高时,自由液面对流场流动的影响较小;而雷诺数一定时,自由液面对流场的影响随着傅汝德数的增加而增加;在自由液面作用下,圆柱的时均阻力系数和时均压力系数随流场的傅汝德数和雷诺数的增加而减小。     

质量比和阻尼比对不同工况下圆柱涡激振动的影响

基于流体计算软件STAR-CCM+中重叠网格和DFBI技术,在Re=150,UR=5条件下对单圆柱及串列不等直径圆柱涡激振动进行数值模拟。模拟中分别在较大范围内改变质量比(1～300)和阻尼比(0～1),获得了各工况下圆柱振动响应及受力与质量比和阻尼比的关系,分析了质量比和阻尼比对圆柱振动的影响及联系。结果表明：从整体来看,圆柱振动幅值和阻力随质量比和阻尼比的增加而降低,升力呈先升后降趋势。在小质量比下(m^*<20),圆柱振幅和受力受质量比和阻尼比影响较大,并随两参数的变化而快速变化;在较大质量比下,圆柱振幅和受力趋于稳定,几乎不再受质量比和阻尼比影响,流固耦合效应变弱。此外,还将参数m^*ζ值相同而m^*和ζ不同的圆柱响应数据进行对比,得出在低雷诺数下,相同m^*ζ的圆柱涡激振动响应呈相同的趋势。     

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。