墩柱绕流对航道横向流速影响数值研究

水流与墩柱相互作用导致墩柱周围水流强烈紊动,对船舶通航水流产生影响,甚至产生桥梁垮塌事件。本研究基于开源OpenFOAM程序包interFoam求解器,选取大涡模拟方法对水流与不同截面型式墩柱开展三维数值模拟研究,重点分析方形墩柱周围流速变化规律;结果表明:本研究工况下墩柱周围最大横流约为来流流速的42%,大峰值流速为反向小峰值的1.5倍左右;墩柱迎流面越趋于圆形并且墩柱长度越短横流区范围就越小。     

分离涡模拟在亚临界区风场圆柱绕流中的适用性研究

圆柱绕流问题一直是流体力学领域热门的研究对象,本文基于ANSYS Fluent软件,采用分离涡模拟(DES)的湍流模型,以连续性方程和N-S方程为控制方程,对亚临界区流动状态风场下的圆柱绕流问题进行了数值模拟。主要分析了圆柱阻力系数,Strouhal数,圆柱后绕流速度分布及涡量大小。计算结果表明DES湍流模型可有效描述流场的三维特性,与之前的实验和模拟结果吻合,验证了DES模型在亚临界区用于风场绕流问题的有效性。DES模型较于大涡模拟和雷诺平均法在计算效率和准确性上有一定优势。     

阵列四柱绕流的数值模拟

阵列四柱绕流特性是研究海洋结构物涡激运动的基础,文中引入雷诺平均法求解NS方程,结合SST k-ω湍流模型阵列四立柱绕流进行了数值模拟.根据中国南海流场实际分布特点,选取6个典型流速,由于阵列四柱结构对称,故选取3个来流方向进行研究.在对单个方柱绕流的斯特哈尔数与相关实验和数值模拟进行验证对比的基础上,研究了张力腿四立柱升力系数、拖曳力系数、立柱截面上的涡强分布以及尾涡泄放结构,采用频谱分析方法研究了阵列方柱频域特性.数值模拟结果表明:四立柱在0.及45.流向时四立柱的涡泄频率大于单方柱的涡泄频率,而22.5.时两者基本相同,四立柱的斯特哈尔数均大于单个立柱,各立柱涡强最大值均位于上游立柱迎流面拐点处,尾流涡泄结构均表现为2S模式.     

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。     

三维有限长圆柱绕流数值模拟

[目的]为探究有限长圆柱绕流的流动机理和特性,[方法]采用大涡模拟(LES)数值模型并结合涡识别方法,对三维有限长圆柱绕流进行数值模拟,并对有限长圆柱绕流进行验证和分析。[结果]模拟结果表明,有限长圆柱回流区相对较短,自由端的下洗作用会扰乱卡门涡街,导致阻力系数损失;相对于固定壁面,自由端面对顺流向速度影响更大;自由端面"蘑菇"涡成对出现,且存在2个流动源点;有限长圆柱流场存在更明显的三维特性,阻力系数更小;圆柱自由端后存在梢涡,圆柱与固定壁面交界处存在"马蹄"涡。[结论]所得结果可对有限长圆柱的流动特性进行相对全面的描述,对于理解和研究有限长圆柱绕流机理具有一定的参考价值。     

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。     

绕海底管线悬空段肩部的三维湍流结构的数值研究

用三维有限元方法模拟了恒定来流绕悬空的海底管线与海床相交处,即管线悬空段肩部的三维流动情况.基于管线直径和来流流速的Re数为5×105.应用Smagrinsky亚格子模型来封闭湍流方程.通过对数值研究结果的可视化处理,由涡量幅值的三维等值面可见,绕悬空段肩部在管线上游形成了一条涡管,它的一端绕过半埋于海床的管线段的顶部,另一端延伸至悬空管线上游的海床上;而由对称张量S2+Ω2(S和Ω的分别为速度梯度张量的对称和反对称分量)的特征值定义的涡核可进一步显示三维流动结构的细节.本文的研究为利用数值模型进一步研究海底管线周围局部冲刷沿管线轴向发展打下了初步的基础.     

用基于SST模型的DES方法数值模拟圆柱绕流

分离涡数值模拟方法(DES)在物面附近求解雷诺平均Navier-Stokes方程,在其他区域采用大涡模拟方法.兼具前者计算量小的优点和后者能模拟大分离湍流流动、计算精度高的优势.采用基于剪切应力传输(SST)两方程湍流模型的DES方法对粘性不可压缩流体的圆柱绕流问题进行数值模拟.通过对所得的速度场、压力场、阻力系数Cd、升力系数Cl、斯特罗哈数St等结果的分析及与文献上的实验和计算数据的比较,说明DES方法对于层流及高亚临界雷诺数的圆柱绕流模拟是合理的.     

平板上直立圆柱三维绕流的CFD计算研究

利用计算流体动力学(CFD)方法,对粘性不可压缩流体流过平板上直立圆柱的绕流进行了三维数值模拟,采用了有限体积法和SIMPLE计算程式,利用不可压缩的Navier-Stokes方程,模拟了雷诺数在200的层流绕流流动。在建立贴体的结构化精细网格之后,成功模拟了马蹄涡,与经典的理论对比具有较好的吻合性。同时得到了交接部区域的剪切力云图。计算结果表明,主/附体结构交接部区域流动机理十分复杂,在这个区域有马蹄涡的存在,是产生交接部冲蚀的根本原因。计算结果表明本文所用方法在模拟含有复杂流动机理的圆柱绕流中是可靠性的。     

低雷诺数二维与三维圆柱绕流探究

分别采用层流模型以及TransitionSST湍流模型,通过ICEM分块法进行网格划分进行了低雷诺数下的二维与三维圆柱绕流的数值模拟。通过控制入口水流的速度达到控制雷诺数的目的。分别计算了二维与三维状态下圆柱的升阻力系数以及斯特劳哈尔数,同时进行了对比发现随着雷诺数的增加二维与三维状态下流场存在明显的差别,尤其是在圆柱尾涡的形态上。此外对于弹性体圆柱绕流进行了初步探索,为之后大变形条件下分析奠定了基础。     

基于DES方法的三维圆柱受迫振动数值模拟

基于OpenFOAM平台对雷诺数3900下的三维固定圆柱绕流和雷诺数30000下的三维圆柱受迫振动进行数值模拟,对湍流的模拟采用SA-DDES离散涡模型.针对三维圆柱绕流问题,采用PISO算法耦合求解速度-压力场,对圆柱绕流的基础参数如St数、平均阻力系数和平均升力系数等与试验进行了比较,结果吻合良好.针对三维圆柱受迫振动问题,采用PIMPLE算法耦合求解速度-压力场,对不同频率下振幅比为0.3的阻力系数、尾涡形态进行了计算,阻力平均系数与实验值相比吻合较好.     

高雷诺数下串列三圆柱绕流的大涡模拟*

三维圆柱绕流的研究主要关注仿真精度，且单圆柱尾涡结构的分析较多，对于串列三圆柱绕流特征的研究较少。使用FLUENT软件对雷诺数为2.25×106在不同间距比下串列三圆柱的湍流模型进行三维模拟。运用Gambit软件对流场进行建模，并对圆柱临近水域网格进行加密，对串列三圆柱进行三维大涡模拟（LES）；取间距比L/D（L为两圆柱间的距离，D为圆柱直径）为1.0、2.0和3.0，选取三维模拟中3个不同切面高度（距离水面0、2.25和4.40 m）研究速度场、压力场和涡量场的湍流特性。结果表明：三维模拟证实了表层的涡量变化显著，在连续圆柱后存在回流区域与间距比有强相关性；同时，3个不同切面的速度场变化较小，压力场变化甚微。     

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.     

试验水池造流剖面数值仿真

为评估试验水池造流剖面流速分布，采用计算流体力学(CFD)软件对试验水池主体的造流剖面进行二维模拟和三维模拟。结果显示，射流倾角与流道高度对试验区水流流态具有关键性的影响。分层开启流道和不同流量配比工况可分段满足工艺指标要求的流切变，且横向水流的偏差不大于10.0%。二维模拟和三维模拟的结果存在一定差异，但整体趋势基本相同。因此，二维模拟可用于前期方案优化。     

基于三维浅水方程的刚性植被水流特性研究

河道中植被的存在会影响河道的过流和挟沙能力。为了研究植被对水流的作用,在已开发的准三维浅水波运动模型控制方程中加入了杆状植被阻力项,并在绕流拖曳力系数计算中考虑了刚性植被的遮蔽效应,同时引入前人提出的植被密度的概念。对改进后的模型利用前人的实验资料进行了验证。模型对植被范围以下和以上流速垂向分布模拟效果良好。利用水箱测定了植被影响下的水流流速,结果表明植被密度是影响阻力的主要因素,而植被的排列方式影响不大;数学模型模拟植被范围和以上的水流速度及紊动能量垂向分布结果与实测值符合较好。     

大涡模拟在河道平面二维水流模拟中的初步应用

通过丁坝对水流进行控制是航道整治中常用的工程措施,丁坝附近水流呈强紊动特性,大涡模拟相对于基于雷诺方程的时均模型对涡旋有较强的捕捉能力。在直角坐标系的基础上,将大涡模拟中的亚格子应力模型(SGS模型)引入河道水流平面二维数学模型中,通过盒式滤波函数将控制方程进行滤波,大尺度量通过控制方程直接求解,小尺度量借助Smagorinsky提出的亚格子尺度应力模型进行求解。采用空间等步长的正方形网格和交替方向隐式差分法对其控制方程进行离散求解。将模型初步应用于非淹没丁坝绕流的数值模拟中,计算结果表明,该模型对湍流旋涡的捕捉和水深计算较为合理,计算精度可满足工程实践要求。     

复式断面明渠湍流的统计特征和拟序结构

应用直接数值模拟(DNS)方法，研究了复式断面明渠湍流的一阶和二阶统计特征，分析了湍流拟序结构在复式断面明渠内的分布规律。首先，针对平板边界层湍流问题对数值模拟方法的精度进行了验证；随后，分析了复式断面明渠的主流流速分布、二次环流强度和分布，以及二次环流对主流流速分布的影响，讨论了紊动强度和雷诺剪切应力极值大小和分布特征；最后，再现了复式断面明渠湍流的三维拟序结构，阐述了滩槽结合处典型“发卡”涡结构的特征及其诱发二次环流的机制。     

非淹没丁坝三维绕流数值模拟

通过应用非线性三维紊流数值模型,并采用有限体积法对模型控制方程进行离散,对非淹没丁坝绕流进行数值模拟仿真分析,给出了三维流场、压力分布场、剪应力分布场等信息,计算结果均基本符合非淹没丁坝绕流的实际情况,结果表明该非线性模型是可取的,数值模拟结果具有一定的可信度.     

某抽水蓄能电站侧式进/出水口体型优化数值模拟

对某抽水蓄能电站侧式进/出水口进行三维数值模拟,发现原体型存在不利水流现象。通过将扩散段底板坡度6%调整为2%,得到优化体型,以期望满足水力学要求。优化体型计算结果表明,减小扩散段底板坡度对进/出水口的水流流态、拦污栅断面的流速分布和不均匀系数、进出水口的水头损失等均有一定的改善作用。     

耦合VOF的非线性k-ε模型三维溃坝数值模拟

溃坝是一种伴随有巨大破坏力的灾害性的水流现象。三维溃坝的数值模拟能够为溃坝水流的研究分析提供科学的依据。针对瞬间全溃模型水流的复杂性,考虑水库下游障碍物的滞水及阻水作用,利用开源程序OpenFOAM建立了耦合VOF对流方程的三维非线性(NL)k-ε紊流数学模型求解雷诺时均纳维斯托克斯方程。采用有限体积法进行离散,利用PISO算法进行数值求解。通过模拟下游为三角形障碍物、矩形障碍物以及90°弯道的溃坝实验,并将模拟结果与实验结果进行对比分析,初步证明了该模型的准确性和鲁棒性。