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。     

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。     

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。     

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.     

带自由液面有限长圆柱绕流数值模拟

[目的]为了探究自由液面及自由端对典型钝体绕流问题的影响,对带自由液面的有限长圆柱绕流进行研究。[方法]基于延时分离涡模拟(DDES)技术和分段线性界面重构(PLIC)方法,利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器开展数值模拟。[结果]结果显示,自由液面和自由端的存在增大了局部位置的升、阻力,推迟了圆柱表面流动分离的发生;相较于深吃水位置,自由液面附近流向的速度"恢复"延缓,横向的速度呈向外运动的趋势;自由液面的变形产生了大量细碎的漩涡,自由端的卷拧状漩涡在一定程度上抑制了卡门涡街的发展。[结论]研究表明,目前采用的数值方法能够准确捕捉复杂流场,同时,自由液面和自由端的存在将显著改变流场沿吃水方向的分布。     

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。     

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。     

Magnus效应旋转圆柱水动力性能分析

为研究Magnus效应旋转圆柱水动力性能，采用大涡模拟（LES）模型对Magnus效应旋转圆柱进行数值模拟，分析旋转圆柱的长径比、转速比、雷诺数对其升力及三维流场的影响，模拟旋转圆柱升阻力变化趋势和尾部流场涡的脱落过程。结果表明：当转速比大于1.5时，旋转圆柱的升阻比随长径比一直增加；升阻比随转速比的变化规律是以1.7为界先升后降；旋转圆柱脱落的旋涡轨迹与来流形成一定的夹角，且角度会随转速比逐渐增大；当转速比大于1.75时，卡门涡街消失，旋转圆柱尾涡长度逐渐缩短，最终只有圆柱上表面发生涡旋脱落，下表面的涡不再脱落，附着在圆柱表面；雷诺数会改变旋转圆柱尾部流场，使升阻比先增加，达到峰值后以相反趋势下降。     

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。     

海上风电场桩基的水动力特性

海上风力发电机对风电场水域的水动力特性等有重要影响,基于Open FOAM软件,采用改进的RANS模型对单圆柱的流动特性进行二维数值模拟。在不同雷诺数条件下模拟圆柱绕流,并对升阻力系数和流场进行分析。结果表明:圆柱绕流阻力系数的变化基本上表现为陡然增大和骤然减小,且周期性不明显;不同雷诺数下的阻力系数的变化规律相似,且振幅基本上相同;升力系数在0附近周期性波动,幅值不是很稳定,不同雷诺数条件下的幅值变化规律不同,变化范围相同;不同时刻圆柱对水流特性的影响不同,风机基础和该结构前端的尾流结构均与时间有关。     

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.     

大雷诺数下桩基局部流场及阻力系数分析

本文利用计算流体力学软件,对粘性不可压缩流体的桩基绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和PISO算法,通过三维k-ε湍流数学模型,模拟雷诺数在超临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性。计算结果表明:大雷诺数时桩基周围的流动具有明显的三维特性,当Sr=0.27附近时,桩基会出现涡街,此时桩基会出现较大的横向力。在超临界区内,随着雷诺数的增加阻力系数先快速增大而后当雷诺数接近7.5e~6时增速开始放缓,C_D值最终稳定在0.85左右。     

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。     

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。     

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.     

近底管线绕流及涡激振动的二维有限元数值模拟

应用有限元方法通过求解原始变量的二维不可压粘性流体的N-S方程和管线振动方程,数值模拟了近底管线的绕流及漩涡脱落引起的管线振动,采用ALE方法解决因管线振动引起的动网格问题和流固耦合问题。数值模拟了雷诺数90相似文献   

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。     

不同来流角度下方形排列四圆柱的水动力特性

为研究不同来流角度下方形排列四圆柱的水动力特性,利用Fluent软件模拟雷诺数为3 900、来流角度不同时,临界间距比为2.0和3.5情况下的四圆柱互扰效应。通过数值模拟,重点分析来流角度发生变化引起的下游圆柱升阻力系数和尾流模态的改变,比较其在这个临界间距比下呈现出的不同特征。研究结果表明:随着来流角度的增大,在2种临界间距比下同号圆柱呈现出的阻力系数变化趋势的特点相似;2种间距比下圆柱的升力系数均表现出由离散到收敛的趋势,但具体特点有所差异;斯特鲁哈数在2种间距比下的特点存在明显不同。研究成果可供海上钻井平台等海洋结构物设计参考。     

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。     

不同深度V沟槽结构的圆柱绕流减阻机理

在圆柱表面布置不同深度的V形沟槽,采用k-ω/SST湍流模型进行数值计算,研究其减阻效果,分析圆柱表面的升力系数、阻力系数、速度分布及尾流漩涡脱落状态.结果 表明,与光滑圆柱表面相比,V形沟槽深度为0.04D的减阻效果最好,阻力系数相对于光滑圆柱表面减小了34.4％.当沟槽深度为0.04D时,升力系数的均方差最小,相对于光滑圆柱表面减小了16％;随着沟槽深的增加,St先增大后减小,当沟槽深为0.04D或0.05D时,漩涡脱落频率发生明显变化;当沟槽深度为0.04D时,圆柱前后速度差最小.随着槽深的增加,尾流漩涡表现出强度减小数量增多的趋势,当槽深为0.05D时,漩涡脱落呈双稳态.