椭圆柱绕流尾迹的PIV测量及DMD分析

为了研究椭圆柱绕流尾迹的流动特性,利用粒子图像测速技术(PIV)对长短轴之比AR=0.42的椭圆柱在雷诺数Re=3 493,4 657,5 822三种流动工况进行了实验研究,得到了相应的尾流区瞬态速度矢量场和涡量场,并通过频谱分析得到旋涡脱落频率。结果显示:随着雷诺数的增大,椭圆柱尾流区域在竖直方向上的影响范围减小,近尾流区内旋涡形成区域缩短,旋涡脱落频率增加。同时采用动力学模态分解(DMD)方法对实验获得的速度场进行模态分解,提取了椭圆柱尾迹流场的相干结构及各个模态的频率和增长率信息。结果表明:低阶模态包含了原始流场的主要流场结构,以及与旋涡周期性脱落运动相关的主要模态。随着模态阶数的增加,衰减速度逐渐增大,涡尺度逐渐变小,并向竖直方向进行扩散。     

串列双圆柱绕流的模态特征及流场重构

为探讨不同间距下,串列双圆柱绕流场特征的内在变化规律,在低雷诺数Re=100下,针对间距比为P/D=1.1~5的串列双圆柱,通过动力学模态分解（dynamic mode decomposition,DMD）方法对其绕流场进行模态分解,并基于DMD的主导模态建立降阶模型,重构了串列双圆柱的涡量场。结果表明:串列双圆柱的3种流态,即单一钝体（P/D=1.1~2）、剪切层再附（P/D=3）和双涡脱流态（P/D=4~5）,呈现明显不同的子模态特征;随着间距比的增大,与圆柱涡脱频率对应的模态结构会逐渐由下游圆柱尾流转移至上游圆柱尾流,此主模态表征了3种流态随间距比演变的内在机制;与单一钝体及剪切层再附流态相比,双涡脱流态的下游圆柱近尾流区的高阶模态结构更为复杂,流场重构时需要更多模态才能达到与其他两种流态相似的精度,在尾流旋涡影响区的重构误差最大。     

用格子Boltzmann方法模拟圆柱绕流的振荡边界层

提出了一种用于模拟圆柱绕流的振荡边界层流动的新方法--旋转系统平均法.该系综由一些相同的系统组成,每个系统除使用不同的网格外,具有相同的流动.经模拟圆柱绕流的振荡边界层发现,流体质点的流动具有平行于振荡方向离开圆柱、竖直于振荡方向流向圆柱的特点,同时也发现在紧邻圆柱出现的被称为二次流的4个涡旋流动现象.数值模拟结果符合经典的理论结果.该方法也可用于其他圆柱绕流问题.     

用格子Boltzmann方法模拟圆柱绕流的振荡边界层

提出了一种用于模拟圆柱绕流的振荡边界层流动的新方法——旋转系统平均法。该系综由一些相同的系统组成,每个系统除使用不同的网格外,具有相同的流动。经模拟圆柱绕流的振荡边界层发现,流体质点的流动具有平行于振荡方向离开圆柱、竖直于振荡方向流向圆柱的特点,同时也发现在紧邻圆柱出现的被称为二次流的4个涡旋流动现象。数值模拟结果符合经典的理论结果。该方法也可用于其他圆柱绕流问题。     

用格子Bohzmann方法模拟圆柱绕流的振荡边界层

提出了一种用于模拟圆柱绕流的振荡边界层流动的新方法——旋转系统平均法。该系综由一些相同的系统组成，每个系统除使用不同的网格外，具有相同的流动。经模拟圆柱绕流的振荡边界层发现，流体质点的流动具有平行于振荡方向离开圆柱、竖直于振荡方向流向圆柱的特点，同时也发现在紧邻圆柱出现的被称为二次流的4个涡旋流动现象。数值模拟结果符合经典的理论结果。该方法也可用于其他圆柱绕流问题。     

高雷诺数圆柱绕流分离的旋转控制

为了深入研究高雷诺数旋转圆柱绕流的流场特性,采用大涡模拟(LES)方法对雷诺数Re分别为3 900、1.4×105、1.0×V106的圆柱绕流在不同转速条件下的三维流场进行了数值仿真。首先以典型非旋转圆柱绕流为算例与相关研究结果进行了对比,验证了本文计算方法与结果的准确性,然后对旋转速度α分别为1、2、3、4时的圆柱绕流进行了模拟。结果表明,不同雷诺数条件下旋转效应都可以有效抑制旋涡脱落和尾部湍流的产生,且分离涡随着转速和雷诺数的增大而变小。同时,雷诺数越小,圆柱的升阻比越大,而超临界区升阻力系数的变化趋势不明显且其值较小;雷诺数越大,受到粘性力的影响越小。     

PIV技术在流动测试与研究中的应用

粒子图像测速是一种基于流场图像互相关分析的二维流场非接触式测试技术,在流场测量中占有非常重要的地位.本文阐述了PIV粒子图像测速的基本原理及其在复杂流场测试中的应用状况,如泊肃叶流动及圆柱绕流、横流中水平方柱绕流旋涡、涡旋波流场、横流中近壁水平圆柱绕流旋涡、角区三维分离的附着奇点结构、漩流中间包流场、角区非定常马蹄涡结构.对掌握和了解PIV测试原理及方法具有一定的参考意义.     

绕圆柱非定常尾涡对液滴碰撞聚结影响的数值模拟

为了探究圆柱绕流下游非定常涡脱落对液滴的变形、聚结过程的影响,运用相场方法,建立了在圆柱绕流流场中液滴变形和聚结的二维模型。探究了在两相流圆柱绕流中,不同入口速度分布、流速以及液滴相对位置对液滴的变形及聚结的影响。结果表明:在平均速度相等的情况下,入口速度为抛物线型比定值更有利于液滴的聚结,发生聚结时间可缩短为定值的1/15。随着流速的增大,液滴对聚结效率、液滴拉伸程度也增大,流速每增大0.5 m·s~(-1),液滴发生聚结时间缩短1/5左右,但当流速大于2.0 m·s~(-1)时,聚结效率趋于定值;在变形过程中,液滴的长短轴之比由4.77增大为8.00。液滴对之间的夹角从0°增大到90°时,其聚结效率越来越低,夹角每增加15°,液滴间发生碰撞聚结时间增加0.1 s时间,当夹角增大到90°时,液滴不会发生碰撞。     

低雷诺数下近自由液面圆柱流致振动数值模拟与机理

采用嵌入格子-玻尔兹曼方法和自由液面模型的XFlow软件对低雷诺数Re=100下近自由液面圆柱垂向流致振动问题开展数值模拟与机理研究。根据圆柱涡脱落特性和圆柱周围液面形态将浸没比h^*∈［0,5］和弗劳德数Fr∈［0.3,2］的参数空间划分为6种不同的流态,研究不同流态下圆柱振动特性和振动-涡脱落-自由液面耦合作用。结果表明,圆柱振幅和振动频率都随自由液面的靠近而降低,而当自由液面非常靠近圆柱时,尾迹状态从绝对不稳定性转为对流不稳定性,圆柱与自由液面之间形成的射流状流动附着在圆柱表面上,抑制了涡脱落过程,导致圆柱不再振动。     

正三角形布置下三圆柱绕流的数值模拟

利用有限体积法和非结构性网格对正三角形排列下的三圆柱绕流进行了数值模拟.取雷诺数Re=100,并考虑4个不同的间距比(1.5,3,5,7),着重研究了间距比对绕流流场特性的影响,结果表明:在小间距比的情形,下游圆柱发生的偏流现象为单稳态偏流;在大间距比的情形,尾流效应使得上游圆柱脱落的剪切层在下游圆柱间上下波动.     

考虑耦合效应的风场中摇曳树木模拟

为了探索树木在风场中摇曳的运动机理,建立了风中摇曳树木的有限元模型.采用圆柱绕流的涡致振动理论估算了树枝在风中因旋涡脱落而引起的脉动升力和阻力;用基于任意拉格朗日欧拉法(ALE)的流固耦合模拟方法估算了不同风速和树叶角度的情况下风施加在树叶上的作用力;用基于圆柱绕流实验数据的简化流固耦合模拟方法估算了树枝大变形后作用在树枝上的风荷载变化.模拟结果表明,考察节点均以环状的方式运动,并且两种不同风场中的轨迹非常类似.由旋涡的脱落而引起的枝条抖动频率很高,但振幅很小.不同枝条之间存在相互的影响,并能改变考察点的运动轨迹     

串列双圆球的流场转捩研究

本文对虚拟边界法加以改善并推广到三维多连通区域的数值模拟上去,研究了不同雷诺数下串列双圆球的流场转捩现象.结果显示小间距比串列双圆球绕流场的第一分叉点位于雷诺数150～175,第二分叉点位于雷诺数225～250.大间距比绕流场的第一分叉点位于雷诺数170～200.转捩点的位置与单圆球绕流相比有不同程度的提前.给出了切面内流态沿流向的发展变化,捕捉到极限环现象,发现下游尾流场的涡结构分别脱落自下游圆球的上表面和下表面,两个来源处的涡脱频率为倍频的关系,随着雷诺数的增加存在频率竞争和占优频率交替的现象.     

二维格子Boltzmann方法圆柱绕流湍流模拟

采用多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟技术对二维圆柱绕流问题进行了数值模拟.运用二阶插值反弹格式处理圆柱边界,同时结合Wall-Adapting Local Eddy-viscosity模型(WALE)对壁面附近湍流粘性进行修正,测算了其升、阻力系数和涡脱落频率.结果显示:在雷诺数小于300时,升、阻力系数以及涡脱落频率均跟实验值吻合较好;对于较高Re数问题,其三维效应不能忽略,模拟结果跟实验值有所偏差,但通过引入WALE模型进行壁面修正,该方法较其他二维方法在估算阻力系数上精度有明显提高.     

基于流声分解法的并列双圆柱流声数值模拟

为了研究低流速下多体绕流激噪声,提出一种基于流声分解法的双圆柱绕流激噪声预报方法。在自主开发的通用流体力学数值模拟软件GTEA基础上,编写了双圆柱绕流噪声计算程序。采用单圆柱绕流噪声计算,验证了流声分解法的正确性和可靠性,对不同圆心距系数(圆柱间中心距与圆柱直径之比)S为1.1、1.7、3.0的并列双圆柱绕流和噪声进行了数值计算。研究表明:并列双圆柱绕流流场可分成单钝体绕流、混合绕流、稳定流3种形式,3种绕流形式对应3种不同声场,混合绕流的声场呈现多极子分布与单圆柱偶极子噪声分布有明显不同,流场分布形式直接决定声场分布形式。     

圆柱顺流向涡激振动响应及流体力特征分析

为了研究柔性圆柱顺流向涡激振动响应特性和流固耦合机理,进行了柔性圆柱涡激振动实验。根据实验中测量的结构应变,用模态分析法重构圆柱顺流向响应位移。建立有限元模型,根据位移逆向求解圆柱顺流向的流体力,并通过最小二乘法获得了脉动阻力和附加质量系数。结果表明:顺流向响应位移均方根最高可达0. 45倍的圆柱直径;在模态控制区,随响应位移的增大,脉动阻力系数减小,体现了顺流向涡激振动的自限制特性;附加质量系数在模态控制区减小,致使结构响应频率"锁定"在固有频率附近;脉动阻力系数和响应位移的轴向分布具有高度一致性;流体力和响应位移之间的相位差会对脉动阻力和附加质量系数产生重要影响。     

水槽边壁效应对四柱结构准陷波现象的影响

为了准确预报海洋平台气隙性能,提高平台的安全性,本文借助HydroStar软件对四柱结构在开敞海域和水槽中的水动力响应进行了模拟。基于线性势流理论和边界元方法,对不同圆柱半径下的四柱结构在波浪作用下的准陷波现象展开了对比研究。结果表明:圆柱半径的增大可以使准陷波模态的自振频率向高频移动,且对高阶准陷波模态的影响较为显著,并且导致波面分布特征的改变;决定准陷波现象发生频率的关键因素实际为圆柱侧壁间距;水槽横向立波自振频率与准陷波频率存在耦合作用,2种共振模态同时激发,导致对应频率附近波高峰值的显著增加。     

基于POD方法的二维方柱低雷诺数绕流流场分析研究

以二维方柱低雷诺数绕流为研究对象,在非定常数值模拟结果的基础上,首先应用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法得到特征区域流场的低阶模型,获取POD基函数及时间系数分布规律;其次以POD的低阶模型为基础,实现了对非定常物理场的重构。研究结果表明:1应用文中的数值分析手段,捕捉到了方柱绕流非定常流动特征,且与公开文献结果吻合较好。2对于文中的研究对象,前4阶POD模态所占波动总能量99.4%,可以用于较准确描述其非定常流场特征;3各阶POD模态的时间系数之间都有明确的频率与相位关系,其中能量最大的第一对POD模态对方柱尾迹流动的波动频率和幅值起决定作用。4在所研究的雷诺数下,前4阶POD模态就可以很好地重构流场,这对以后低阶模型的建立有一定的指导意义。     

近平板圆柱绕流的边界元分析

应用边界元方法,对低雷诺数粘性不可压流体的半无界近平板圆柱绕流问题进行数值模拟,得到圆柱表面的压力、面力分布规律,给出数值模拟的圆柱绕流的注场,数值计算与理论分析和实验结果比较完全一致。     

基于大涡模拟的方柱绕流噪声特性研究

采用大涡模拟结合Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程声类比的方法,研究了方柱绕流噪声特性,将基准模型数值计算结果与前人试验结果进行对比,并分析方柱绕流噪声辐射特性以及流速和流向对声场的影响规律。研究表明:基准模型数值计算结果与试验值较为一致,说明了文中计算方法的适用性;在约110°和250°的圆周方向上的存在偶极子噪声模态,且随着距离的增大,噪声辐射声压级逐渐减小,噪声指向性变得逐渐不明显;随着流速的增大,涡脱落频率逐渐增大,且涡脱落频率处的声压级也随之增大,辐射噪声声压级在频域上呈增大趋势;流向的改变使得方柱绕流辐射噪声的声场指向性变得复杂。     

Re=3 900圆柱绕流的三维大涡模拟

为研究亚临界雷诺数范围内圆柱绕流流场特性及三维大涡模拟方法的适用性,基于C++语言及有限体积法开发了三维非结构化网格的大涡模拟计算程序.采用新的高稳定性高精度二阶离散格式,及Smagorinsky亚格子模型对Re=3 900均匀来流条件下的圆柱绕流问题进行数值模拟,并统计获得了平均流场参数及湍流流场的详细结构特性.结果表明:采用本文的网格、计算步长和高稳定性二阶离散精度大涡模拟方法计算所得的湍流场一阶统计特性和二阶统计特性与实验值吻合很好.验证了大涡模拟程序在模拟亚临界雷诺数下圆柱绕流流场平均值及脉动值的合理性.