动波壁圆柱流场的数值模拟与减阻机理

利用计算流体力学软件Fluent开展动波壁圆柱绕流的数值计算,建立二维运动波浪壁圆柱模型。在来流速度u=0.005 m/s、雷诺数Re=500的情况下,开展动波壁波动速度c=0,0.005,0.01,0.015,0.02,0.025,0.03,0.04 m/s等8个工况的计算分析,并比较不同波动速度对流场结构、升力、阻力特性的影响。结果表明:动波壁圆柱能有效抑制流动的分离,消除交替脱落的尾涡,减阻效果突出;随着波动速度的增大,平均阻力系数呈明显下降趋势;当波速超过0.025 m/s时,阻力变为负值,即波动圆柱产生一定的推力。     

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。     

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。     

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。     

固定海床上海底管跨顺向和横向耦合振动实验研究

虽然对于圆柱体结构涡激振动问题的研究很多,但是对于海床近壁影响下海底管跨顺向和横向耦合涡激振动特征了解的还相当少。文章在波流水槽中开展了实验研究工作,对固定海床上海底管跨顺向和横向耦合振动进行了探索。实验模型由一根长2.6m,外径为16mm,壁厚为0.3mm的钢管制作而成,模型质量比为2.62。实验间隙比为2.0、4.0、6.0和8.0。模型的动力响应采用光纤光栅应变传感器测量,每个振动方向沿模型管线长度方向均匀布置四个传感器。利用模态分析方法对应变数据进行处理得到模型的振动位移响应,进而分析得到振动频率、响应幅值、模态特征等数据。对不同间隙比条件下管线横截面运动曲线沿管长的变化以及随流速的变化进行考察,发现对于e/D>2.0,运动曲线表现为常见的8字形,但是对于e/D=2.0,横截面运动曲线表现为泪滴形图样。各间隙比条件下顺向振动频率与横向振动频率的比值大部分集中在2.0附近,证实了对于锁定范围内的流速,顺向振动频率是横向振动频率的2倍。     

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。     

定常流中不同淹没深度下水平圆柱载荷分析

基于CFD方法的数值模拟对水平圆柱与定常流相互作用的问题进行研究,首先建立含有自由液面的定常流条件下固定与刚体运动圆柱体的二维数值计算模型,在建立的模型中分别对不同淹没深度、不同流速、不同圆柱尺寸、不同雷诺数下水平圆柱的载荷进行分析计算.结果表明：随着圆柱淹没深度的增加,圆柱受力先增加后减小;靠近自由液面时,淹没深度是影响受力的重要原因,其中水平系数对淹没深度的敏感程度比垂向系数小,主要是由自由液面波动引起的反射和阻塞所导致;S/D<-2.5(S为圆心到水平面的距离,D为圆柱直径)时可以忽略自由液面的影响,固定与刚体运动圆柱体均在S/D=-1时水平系数达到最大,S/D=-0.5时,垂向系数达到最大;随着雷诺数的增加,运动圆柱水平系数平均值先增再减,垂向系数平均值不断减小.     

水下航行体模型尾部壁面脉动压力与近壁湍动速度同步测试

为了研究水下航行体尾部厚边界层湍流非定常特征,利用轴对称的光体模型及2个尺度不同的大附体模型,在低速风洞中进行模型尾部壁面脉动压力与近壁湍动速度同步测试,并采取相关计算、小波分析等方法作数据处理分析.结果表明:航行体尾壁面脉动压力信号主频成分相对较少,且频率较为固定,反映航行体尾厚边界层流动大尺度相干结构影响;而近壁湍动速度信号反映多种不同尺度的涡作用,且低频信号占据主要的频率成分,同时,随着离壁面距离的增加,湍动速度与壁面脉动压力最大相关系数减小.测试同时考察了不同大附体方案和雷诺数变化对航行体尾湍流特性的影响.     

两种典型质量比圆柱体涡激振动特性研究

针对圆柱体在大长细比、多模态振动及高雷诺数情况下出现较大变形时的非线性效应,建立了双自由度耦合模型,并采用ANSYS/CFX软件对不同质量比的圆柱体两向涡激振动进行数值模拟,探讨了两种典型质量比圆柱体在不同约化速度下的位移响应、两向频率比等特征规律。研究表明,低质量比圆柱体具有更大的锁定区范围和更加剧烈的共振现象。同时,低质量比圆柱体在锁定区范围内呈现出更加复杂的双向耦合规律,而高质量比圆柱体振动规律则相对稳定。探讨了质量比对"拍"、"相位开关"等涡激振动现象特征参数的影响,结果表明,"拍"现象的出现与质量比无直接关系,而质量比的大小可能对"相位开关"现象是否出现具有决定性影响。     

湍流强度对非对称粗糙带圆柱流致振动影响的研究

本文采用非定常RANS方法和Spalart-Allmaras湍流模型,结合动网格技术,通过Fluent二次开发平台编写程序代码实现流固信息交换,实现非对称粗糙带单圆柱及串列双圆柱流致振动并行数值计算。主要研究雷诺数在3×10⁴~1.2×10⁵范围内入口湍流强度对非对称粗糙带单圆柱及串列双圆柱流致振动的影响。研究结果发现,入口湍流强度的增大会引起尾涡拉长,使得非对称粗糙带单圆柱和串列双圆柱下游圆柱的振幅比减小,且会削弱圆柱振子的振动偏移现象;随着雷诺数增大,非对称粗糙带单圆柱和下游圆柱的尾涡数量增加,依次出现2S、QP+P、2P+2S、不稳定的2T、2T、2T+S和2T+2S等模式,在雷诺数为6×10⁴时可发现新的模式Double-S(DS)。     

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。     

Effect of surface roughness and initial gap on the vortex-induced vibrations of a freely vibrating cylinder in the vicinity of a plane wall

We studied the effects of the surface roughness and initial gap on the responses of vortex-induced vibration (VIV) of a circular cylinder near a stationary plane wall, employing numerical methods. The VIV response amplitudes, lock-in regions, hydrodynamic forces, VIV trajectories and flow fields for three different surface roughnesses and two different initial gaps were systematically compared. The results reveal that the reduced velocity range can be divided into three regions based on the VIV amplitude as pre-lock-in, lock-in, and post-lock-in regions. The width of the lock-in region is not sensitive to the variation of the roughness. The mean drag coefficient has a decreasing tendency with the increased roughness. For a small initial gap, the clockwise wall boundary layer vortices has coalesced with the clockwise vortices shed from the upper side of the cylinder, which further suppresses the shedding of the counter-clock wise vortices from the lower side of the cylinder. The vortex shedding flow pattern displays a weak 2S mode. However, for a large initial gap, there is no coalescing action operating in the wake region and hence most of the vortex shedding flow patterns show an asymmetric 2S mode.     

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。     

基于高雷诺数的并联双圆柱绕流研究

文章采用基于边界瞬时涡量守候的拉格朗日方法(IVCBC),结合并列双圆柱的特点,建立了双圆柱绕流数值计算模型。对高雷诺数下Re=6×10~4,间隙率为T/D=1.1~7的并联圆柱双圆柱二维绕流特性进行了研究。提出了双圆柱间隙中点的速度区别宽窄尾流的新方法。分别讨论了流体力系数随间距增加的特点,脉动流体力的特点,尾流特征以及斯托哈尔数特征。研究发现:区别宽窄尾流的新方法是可靠的;在双圆柱尾流附近有五种尾流模型存在;同时发现了在宽窄尾流的频率,存在一个中间频率。     

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。     

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。     

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.     

振动半圆柱尾流中的二维摆动水翼推进性能研究

文章研究了粘性流场中半圆柱振动产生的旋涡对二维摆动水翼推进性能的影响。利用数值方法计算了振动半圆柱尾流中二维摆动水翼的水动力性能。计算结果表明,半圆柱涡和水翼涡之间存在4种相互作用模式。相反旋向的半圆柱涡和水翼涡相互作用时,摆动水翼的平均推力系数最大。相同旋向的半圆柱涡和水翼首缘涡相互作用并且最终融入到水翼尾缘涡时,摆动水翼能够从半圆柱涡中吸收能量。     

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.