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。     

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.     

船用新型减摇装置水动力性能研究

为保证船上设备正常运行,确保船上养殖品的存活率,船舶的减摇装置对长期系泊在深远海水域进行作业的深远海养殖工船等特种船舶来说具有重要意义。新型Magnus减摇装置是安装于船体两侧的圆柱型装置,通过控制其自身旋转,利用Magnus效应来实现减摇,因其在航行以及系泊状态都能进行减摇,被预测有很好的应用前景。为研究该减摇装置在零航速时的减摇机理,并对其减摇效果进行验证,文章对零航速时该装置的运行状态进行了水动力性能计算,分析升力、阻力和升阻比等结果随摆动角速度及旋转速度变化的规律。研究结果表明:在没有来流的情况下,圆柱的自身摆动也会为Magnus效应的产生提供足够的来流条件,从而实现高效率减摇;在一定范围内,装置的水动力性能受其摆动速度的影响很小;但随着转速比的增大,减摇装置的升力系数先增大再降低,在α=3时升力系数达到最大值,阻力系数和升阻比也呈先增大而后降低趋势,而升阻比在α=1左右达到最大值。     

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。     

层流状态下旋转圆柱绕流数值模拟研究（英文）

基于CFD方法对层流状态不同雷诺数下的旋转圆柱绕流进行数值模拟,分析在不同转速比α(0≤α≤8)下尾流涡流、升力系数、阻力系数和斯特劳哈尔数的特性。随着转速比的增大,发现五种尾流结构形态（漩涡脱落、稳定尾流、反向稳定尾流、单边涡和附着涡）。随着转速比的增大,平均升力系数先抛物线形式增大,然后线性增大,平均阻力系数减小,然后增大;斯特劳哈尔数随旋转比的增大而减小,且第二不稳定阶段的斯特劳哈尔数比第一不稳定阶段要小很多。随着雷诺数的增大,第一不稳定阶段的末尾向后移动,第二不稳定阶段的生成范围向前移动。     

附加旋转圆柱涡激振动发电装置能量获取性能研究

应用基于嵌入式迭代浸入边界法,数值模拟了附加旋转圆柱的海流能利用装置的涡激振动,研究了能量利用效率CP,harness随俘能阻尼比ζharness、附加圆柱的无量纲转速α和方位角θ的变化规律,得到了能量利用效率优化参数组合。进一步研究了能量利用效率随组合参数α/θ的变化规律,给出了拟合关系式,定性分析了拟合公式系数随影响参数的变化规律。     

低长径比浮式圆柱涡激运动实验研究

为研究低长径比浮式圆柱涡激运动响应,对其进行了水槽模型实验研究。测试了三种长径比(L/D=2.5、2.0、1.5)圆柱在不同来流速度下的运动响应及顺流向、横流向动水压力,从响应幅值、涡泄频率、受力分析等多个角度出发,分析其涡激运动的关键特征。研究表明:涡激运动响应幅值随长径比的减小呈降低趋势,这种趋势在锁定阶段更加明显;涡激运动锁定区前后阶段,涡泄频率与固有频率比值随约化速度呈线性增加,锁定区前St≈0.18,锁定区后St数小于0.18,且随长径比的减小而减小。     

关于圆柱绕流水动力特性的大涡数值模拟研究

基于有限体积法建立描述不可压缩粘性流体三维运动的数学模型,引入浸入边界法的无滑移固定壁边界条件和大涡数值模拟的Smagorinsky．Lilly亚格子模型,针对层流（Re=100）和湍流（Re=3900）状态下的圆柱绕流流场进行数值模拟研究,验证结果表明该方法能较有效模拟非定常圆柱绕流流场的形态。在层流状态下圆柱体下游存在形态清晰的卡门涡街结构且无明显的掺混现象;在Re=3900的湍流状态下圆柱下游的掺混现象显著增强,圆柱下游约1．0D处的脉动强度达到最大值。     

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.     

单双圆柱涡激振动数值模拟研究

基于CFD方法,对质量比为7的单圆柱和并列双圆柱的涡激振动进行数值模拟研究,对单圆柱涡激振动的研究表明:其锁定区为4.8U_R7.6,在锁定区内旋涡发放频率被结构的固有频率锁定,位移与升力的相位差为零,圆柱的无量纲振幅急剧增大。在锁定区边缘,由于涡脱频率不能完全被结构的固有频率锁定,出现"拍振"现象。对并列双圆柱涡激振动的研究表明:流场充分发展达到稳定的时间随间距比的增大而增加,在3.0≤T~*≤4.0时,两圆柱的振动反相同步,在4.0T~*≤5.0时,两圆柱的振动不同步,T~*≈4为两圆柱振动是否同步的临界间距比。     

基于滑移网格的翼身融合水下滑翔机水动力性能研究

提高升阻比是实现水下滑翔机低功耗和远距离航行的重要手段之一。借鉴航空领域翼身融合布局具有的高升阻比特性,本文将其应用于水下滑翔机设计过程,并开展基于滑移网格的翼身融合布局水下滑翔机（blended-wing-body underwater glider,BWBUG)水动力性能研究。首先,开展约束模式下的数值仿真,并定量给出各水动力参数随攻角的变化规律,确定该水下滑翔机的最优航行攻角,探明最优攻角下BWBUG压力分布规律。然后,从压力分布、流线分布及升力分布规律三个角度,阐明翼身融合构型能够提升升阻比的原因。在研究过程中发现：翼稍涡存在会导致翼稍处压力骤变严重、流线紊乱形成涡流,阻碍BWBUG升阻比的提升。这也从侧面论证了BWBUG加装翼稍小翼的必要性。本文的研究可以为后期BWBUG的结构改进及外形优化提供参考。     

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。     

不同间距比下串联圆柱涡激振动数值模拟研究

针对不同间距比下小尺寸串联双圆柱在双自由度下的涡激振动位移响应,受力特性以及运动轨迹等进行仿真研究,应用Fluent中的SST k-ωMesh技术进行网格划分,运用动网格技术实现流固耦合。研究结果表明当S/D=3时,上游、下游两圆柱的“锁定”区间均为Vr=7-9,当S/D=4与S/D=5时,两串联圆柱的“锁定”区间范围增大。同时随着串联两圆柱间距比增大,上下游圆柱之间的影响逐渐减小,导致升力系数相应减小。随着约化速度增大,上下游圆柱的阻力系数均趋于稳定。当S/D=3时串联两圆柱运动的规律性较差,随着间距比增大上游圆柱“8”字形变得更加标准,下游圆柱轨迹则呈现多样化的特点。     

不等直径并列双圆柱绕流数值模拟研究

不等直径的多圆柱系统广泛应用于海洋工程中,为研究不等直径双圆柱之间的互扰效应。本文基于CFD方法,对不同间距比下的二维不等直径双圆柱进行了数值模拟。研究结果表明:当T/D≤3.0时,双圆柱尾流涡相互融合,互扰效应造成斯特劳哈尔数偏低,升力系数幅值随时间变化不稳定;当T/D 3.0时,两圆柱互扰较弱,圆柱水动力系数与单圆柱结果相差不大;T/D≈3.0可认为是临界间距比。本文成果有助于多圆柱流动控制技术研究。     

基于声类比的仿生圆柱壳流噪声特性研究

本文基于鲨鱼皮表面的齿状结构对圆柱壳表面进行改形设计,设计了3种典型仿生圆柱壳结构.采用大涡模拟(LES)结合Lighthill声类比方法对仿生圆柱壳的流噪声进行求解,并讨论了仿生圆柱壳流动噪声的特性和机理,最后对圆柱表面的齿状结构进行了优化.结果表明,仿生圆柱可以降低脉动压力的幅值,同时能够改善尾流流场,减少圆柱尾流涡量,从而起到降噪作用.3种仿生圆柱中,V型仿生圆柱的降噪作用最佳,且Ⅴ型圆柱的s/h的临界值在2.5左右,s/h＞2.5时,V型仿生圆柱不再具有降噪作用.     

筒壁效应对二维水翼水动力性能的影响

在空泡水筒内进行水翼模型试验时,水翼模型的水动力性能会受到筒壁的影响。为此,以NACA0009水翼为研究对象,基于Realizable k-ε湍流模型,采用计算流体力学软件STAR-CCM+对二维水翼的水动力性能进行计算。通过将计算结果与模型试验结果相对比,验证该计算方法的准确性。同时,系统地分析不同阻塞系数(λ)下水翼的升力系数(C_L)和阻力系数(C_D)的变化特点,并给出小攻角下有筒壁效应时,水翼C_L的计算公式。研究表明：C_L随着λ的增大呈指数形式减小并趋于定值,C_D随着λ的增大先减小后增大并趋于定值;当λ≥16.0时,C_L和C_D不受壁面效应的影响。     

浸没边界格子Boltzmann方法的改进及转动圆柱绕流模拟

  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\     

船舶螺旋桨水动力性能数值分析

为获取船舶螺旋桨的水动力性能,采用多参考系模型（Multi-moving Reference Frame,MRF）法,运用重正化群（Renormalization Group,RNG）k-ε湍流模型计算定常条件下的螺旋桨水动力性能,研究不同进速比与不同盘面比条件下的螺旋桨水动力性能,分析不同进速条件下的螺旋桨推力与扭矩等水动力参数变化特性。结果表明：随着进速比的增大,螺旋桨的推力与扭矩呈现下降趋势;在盘面比由0.45增大至0.55时,螺旋桨的推力与扭矩随着盘面比的增大而增大,但在盘面比由0.55增大至0.60时,螺旋桨的推力与扭矩减小。因此,在设计螺旋桨的过程中,需要考虑盘面比对螺旋桨水动力性能的影响。