圆柱绕流研究进展及展望

圆柱绕流问题广泛存在于水利工程、建筑工程和环境工程之中。通过对前人圆柱绕流研究的成果整理和分析,将其分为解析研究、物理模型研究和数值模拟研究3个阶段,总结了单圆柱、双圆柱以及圆柱群绕流在流动形态和圆柱受力特性方面的研究进展。分析发现,现有研究主要集中于简单条件下单柱和双柱的受力特性和尾流流场结构,今后需进一步开展柱群在海洋立管、高桩码头和环境工程等复杂条件下的研究,开发尾流形态的主动控制技术。     

水流流向对圆柱群阻力特性影响研究

为解决工程实际中桩群码头的水流绕流阻力计算问题,以指导涉及桩群的物理模型试验和数值模拟计算等工作,在归纳总结已有的研究成果的基础上,通过先进的数显式测力设备和悬浮测力法对有限深度均匀水流中,不同水流流向对圆柱群绕流阻力影响的测试研究,得出迎流角对圆柱桩群阻力的影响规律,并得出圆柱桩群阻力的迎流角影响系数和其经验公式,并进一步归纳总结出迎流角度为θ的矩形排列圆柱桩群的总阻力计算经验公式;并通过试验测试得到了良好的验证,证实了这些研究规律和公式的正确性和可靠性.该研究成果进一步完善和发展了有限深度均匀水流中,水流流向对圆柱群绕流阻力影响特性规律,并指出该研究的工程意义与价值.     

有限深度均匀流中圆柱桩群绕流对流速的影响*

通过有限深度均匀流水槽试验研究不同圆柱桩群对均匀水流的绕流影响程度.通过多组试验研究数据对比分析得到圆柱桩群对均匀水流的影响规律;不同圆柱桩群对同样水流影响性质与程度的差别;不同圆柱桩群对水流流场影响范围的规律;圆柱桩群的阻流率、排架密度、桩群长度对水流流场的影响规律;不同流速的水流对圆柱桩群影响的反应规律;水流绕流圆柱桩群时,横向断面流速的变化规律等.研究分析还发现:桩群阻力是桩群影响水流的一个因素但非唯一因素,桩群的排列方式和桩群迎流角对水流流速的变化有不同程度的影响,且其影响程度大于阻力影响.     

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。     

二维圆柱绕流数值模拟

对于椭球体绕流问题，可以考虑利用二维切片法的思想将其剖成一个个圆剖面，研究圆剖面的二维流动问题即二维圆柱绕流问题。采用Fluent软件，分别用多种流动模型在高雷诺数下对定常和非定常状态的圆柱绕流进行了数值模拟，计算得到圆柱绕流的升阻力系数、分离点位置、Strouhal数、流函数等结果，并与文献中的实验结果进行了比较，得到相应比较合理的计算模型。     

基于ADINA有限元软件的圆柱绕流三维数值模拟

利用ADINA有限元计算软件建立基于N-S控制方程的圆柱绕流三维数学模型,模拟不可压缩粘性流体中单个固定圆柱的绕流问题,计算不同雷诺数(Re)条件下圆柱绕流的压力系数、升阻力系数和Strouhal数等相关参数.通过与物理模型试验结果的对比对该数学模型进行验证,进一步分析在大雷诺数条件下圆柱绕流的三维效应.     

海上平台支撑柱绕流特性的大涡模拟分析

海上平台是开采海洋资源的关键建筑,而支撑柱在平台中起着至关重要的作用。本文建立在海水作用下支撑柱做单圆柱绕流、串列双圆柱绕流和并列双圆柱绕流的二维流场模型,运用大涡模拟方法,对这3种模型进行数值模拟,得出其瞬时流场速度云图和圆柱受力特性曲线图。模拟计算层流和湍流情况下的圆柱绕流,通过模拟结果分析流场、升力系数和阻力系数的变化规律。     

海上平台支撑柱绕流特性的大涡模拟分析

海上平台是开采海洋资源的关键建筑,而支撑柱在平台中起着至关重要的作用。本文建立在海水作用下支撑柱做单圆柱绕流、串列双圆柱绕流和并列双圆柱绕流的二维流场模型,运用大涡模拟方法,对这3种模型进行数值模拟,得出其瞬时流场速度云图和圆柱受力特性曲线图。模拟计算层流和湍流情况下的圆柱绕流,通过模拟结果分析流场、升力系数和阻力系数的变化规律。     

基于边界元方法的气泡脉动诱导壁压特性

针对圆柱壳结构在水下爆炸气泡脉动载荷作用下的诱导壁压特性,采用Geers-Hunter模型得到气泡脉动运动,在势流假设下采用边界元方法建立了水下爆炸气泡脉动载荷壁压计算方法,通过对不同水下爆炸工况进行计算分析发现:圆柱壳表面的气泡诱导壁压有明显的绕射现象,在爆距较小时迎爆面气泡脉动诱导压力峰值要远大于背爆面压力;在圆柱壳轴向上随距中心点距离的增大绕射特性逐渐减小,壁压向自由场压力逼近。所得到的方法和规律可为潜艇抗冲击设计和评估人员提供参考。     

基于ISIGHT圆柱绕流的换热强化与减阻优化设计

圆柱绕流在工程应用中十分普遍,大到海洋结构物,小到微型换热器均有其身影,其中控制圆柱的排布对主圆柱的最终性能有着举足轻重的影响。为研究圆柱绕流系统的换热强度及减阻性能,本文利用ISIGHT优化平台强大的集成能力,实现利用ISIGHT驱动Gambit,Fluent软件并寻求最优参数组合的设计流程。研究发现,在Re=200时,与单圆柱系统相比,通过合理布置控制圆柱的方位参数(间隙率L/D=2,夹角degree=30°时),在提高换热性能的同时,还能减小圆柱阻力的优良结构。全程采用参数化设计,自动化寻优,提高了设计效率,为圆柱绕流提供了一个新的优化思路。     

浸没边界格子Boltzmann方法的改进及转动圆柱绕流模拟

针对浸没边界格子Boltzmann方法计算效率不足的问题,提出一种改进浸没边界格子Boltzmann方法。通过使用作用力格子Boltzmann模型,并简化流固耦合作用力的计算方法,使计算流程得到简化,同时,对比原方法转动圆柱绕流计算结果,计算时间缩短一半以上,提高了数值计算效率。结合改进算法研究转动圆柱绕流的流场升阻力系数、压力系数、流场速度等流体参数场随转速比的关系,揭示了一定的转动圆柱绕流动力学规律。研究结果表明,改进方法准确可靠。     

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。     

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。     

亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟

基于RNG k-ε模型,采用有限体积法对亚临界雷诺数条件下(Re=3×102~3×105)的二维单圆柱和单方柱绕流进行数值模拟与仿真。得到了圆柱和方柱绕流阻力系数Cd与Strouhal数随雷诺数的变化规律。同时对雷诺数Re=22 000下的圆柱、方柱绕流相关特性进行详细对比分析。计算结果表明:同一雷诺数下,单圆柱绕流阻力系数Cd较单方柱低,但圆柱的Strouhal数较单方柱则要高。虽然二者边界层分离点不同,但流场的演变与漩涡的脱落具有一定相似特性。     

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。     

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.     

电磁力控制圆柱体绕流研究进展

圆柱体作为常见的一种钝体结构,其流动分离控制一直备受关注,而通过电磁力实现流动分离控制是当下研究的热点之一。该文以圆柱结构为对象着重介绍了电磁力控制圆柱体结构绕流的含义和研究现状,并对不同磁极宽度对圆柱绕流的影响进行了概括,同时简要介绍了含有电磁力的流动控制方程。最后,针对目前研究中存在的不足,提出应重视在高雷诺数条件下电磁力对圆柱体绕流影响的研究、计算流体力学与实验流体力学方法相结合这两点建议。     

基于改进的浸没边界-格子Boltzmann方法的圆柱绕流仿真计算

基于Suzuki等人提出的浸没边界-格子Boltzmann方法,采用作用力格子Boltzmann模型,提出了一种改进的浸没格子Boltzmann算法。对比相同计算循环次数的圆柱绕流仿真结果发现,改进算法通过提高流场速度分布函数的计算精度来简化流固边界表面作用力计算方法,避免了使用迭代计算,简化了计算流程,使得在低雷诺数定常流动圆柱绕流仿真时,圆柱绕流流线的对称性得到了保证,计算更为稳定,且计算效率得到了显著提高。在定常流与非定常流的圆柱绕流仿真应用中,论文计算结果与其他文献中的结果吻合较好,表明了改进算法的有效性。     

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。