低质量比圆柱涡致振动风洞实验研究

以低质量比圆柱为研究对象展开涡致振动风洞实验,研究其涡致振动中最大位移响应分支转换特性。实验中针对传统涡致振动风洞实验中质量比难以降低的问题,提出了弹簧-张力线式支撑方式,将模型的等效质量比由1×102的量级降至20.4。实验中测量了不同状态下圆柱的位移时域响应,发现高雷诺数圆柱涡致振动的最大结构位移响应呈现出初始分支和低幅分支,且在一定的风速范围下会随机切换。在此风速范围内,当初始分支向低幅分支转换时,相角变化相对位移变化的超前量比低幅分支向初始分支转换时大4个振动周期左右。以上结果表明:低质量比圆柱涡致振动最大位移响应存在两分支的转换区,在转换区内,同时存在两个亚稳定的最大位移响应分支,且低幅分支稳定性较高。     

二维弹性圆柱涡致振动的尾涡模态

对均匀来流情况下Re数为200的二维单自由度弹性支撑圆柱涡致振动问题进行了数值模拟。采用时空有限元方法求解二维不可压N-S方程,利用新型显示积分方法求解圆柱振动方程,并用弹簧动网格技术实现网格更新。针对低折合阻尼比涡致振动,分析了不同圆柱自振频率下升力系数、阻力系数以及圆柱位移等参数的变化趋势,成功地捕捉了"锁定"、"拍"和"相位转换"等现象。讨论了圆柱脱落尾涡模态随时间的演变,观测到新的2P+2S尾涡模态,当圆柱振动幅值最大时,尾涡在下游不同位置可能出现2S、2P+2S和2P模态。     

利用分区ALE算法数值模拟圆柱湍流涡致振动

用分区算法结合任意拉格朗日-欧拉法(ALE)数值模拟了圆柱湍流涡致振动.求解基于非交错网格系统,压力求解采用压力泊松方程提法,湍流模型采用标准k-ε模型和重整化群(RNG)k-ε模型.计算取中等雷诺数Re=5000、10000、15000、25000、50000等,质量系数M=10.阻尼系数ζ=0.00331,自振频率fn=0.18315、0.1628.计算结果表明:湍流涡致振动下圆柱时均阻力系数大于孤立圆柱绕流,而升力系数(振幅)值都小于孤立圆柱绕流.随着雷诺数增大,湍流粘性系数随之增大,但湍动能和湍流耗散率变化趋势不明显.对孤立圆柱绕流,研究结果与前人实验结果基本相符.     

高雷诺数时串列双圆柱平均压力的实验研究

通过风洞实验给出了二维串列双圆柱在高雷诺数时的平均压力分布，实验在低湍流度的均匀流中进行，模型表面光滑。实验结果发现；在亚临界雷诺数时串列双圆柱临是距时有一些新的现象。在超临界雷诺数时串列双圆柱的平均夺力分布显示出与亚临界雷诺数时截然不同的特性。就总体而言，超临界雷诺数时前后柱间的相互干扰要比亚临界时小得多。     

垂直交叉双圆柱绕流强迫振动数值模拟

采用虚拟体法数值模拟了平面单圆柱绕流强迫振动,以及空间垂直交叉双圆柱绕流下游圆柱强迫振动流场。验证了单圆柱强迫振动中的锁定状态以及相位突变现象,从而证实了该数值方法模拟振动流场的可靠性。研究了在雷诺数Re=150、间距为5倍圆柱直径、下游圆柱按正弦曲线振动时,对尾流场的影响。下游圆柱两端尾流场在振动的作用下,涡的横向间距增大,而中心尾流场由于受上游圆柱尾流的影响而保持原先的状态。下游圆柱在锁定区的振动使尾流场变得稳定,表现在流向二次涡结构的减少,以及尾流场的速度场频谱趋向单一化。     

开缝圆柱近场尾流的大涡模拟和实验测量

基于Fluent软件平台采用大涡模拟(LES)的方法对开缝圆柱绕流进行了三维数值仿真,计算了五组不同雷诺数(Re=1500、3000、4400、5837、7200)情况下缝宽比s/d=0.15的开缝圆柱绕流流场。通过定性的流动显示和定量的PIV实验,对s/d=0.15情况下开缝圆柱内部缝隙流动以及旋涡脱落情况进行了细致研究,并测量了基准圆柱与开缝圆柱的脱落涡频率。数值模拟与实验测量结果符合得很好。实验和计算的结果表明,在一定雷诺数范围内,开缝圆柱缝隙内部流体呈现周期性的震荡,边界层底层经历"吸入"和"吹出"现象,根本上改变了近区尾流的结构。开缝圆柱尾迹呈现出明显的三维流向涡形态。缝隙内流体的上下震荡对圆柱绕流的周期性产生了显著影响,开缝圆柱的旋涡脱落频率和斯特劳哈尔数均高于相同雷诺数下的基准圆柱。     

ALE方法求解圆柱的涡致振动

数值求解基于拉格朗日-欧拉(ALE)描述的不可压缩流体的N-S方程,计算了较小雷诺数下圆柱的涡致振动现象.N-S方程的对流项和扩散项分别采用三阶迎风紧致格式和四阶中心紧致格式离散,计算网格采用H-O非交错网格系统,并结合分块耦合方法.柱体运动简化为弹簧-阻尼-质量系统,柱体运动方程采用经典龙格-库塔方法求解.通过模拟柱体和流体之间的非线性耦合作用,成功地捕捉到了"锁定"、"拍"和"相位开关"等现象,并与试验数据相吻合.另外,本文详细分析了Re＝200时圆柱尾涡形态、升力、阻力以及圆柱位移等随圆柱自振频率变化的过程,捕捉到尾涡结构变化的频率转折点.     

圆柱-分离盘结构的流致旋摆响应数值研究

利用数值模拟手段研究了圆柱-分离盘结构的流致旋摆响应，分析了雷诺数Re、分离盘长度比L/D对结构旋摆响应、流场特性及水动力系数的影响。结果表明：分岔现象出现在绝大多数工况下，分岔向不分岔过渡的临界雷诺数与盘长有关，分离盘越长，此临界雷诺数越大。旋摆平衡角随雷诺数的增大先增加，后基本维持不变；分离盘越短，旋摆平衡角越大。结构摆幅随雷诺数增大先保持为零，后快速增大，最后缓慢增大或基本不变；分离盘越长，结构摆幅越大，摆幅不为零的起始雷诺数也越大。结构摆动频率主要受雷诺数影响，二者呈正相关关系。结构发生分岔并在平衡位置大幅摆动时，一个旋摆周期内在盘尖端和下侧各脱落一个旋涡，而在盘上侧由于边界层再附着存在一个滞止涡，形成回流区。发生分岔但结构基本静止时，分离盘上侧、盘尖端及盘下侧存在稳定的、尺度不一的回流区。不发生分岔时，两个相同的回流区对称分布于分离盘上下两侧。分离盘具有调控尾流和增加背压的作用，因此结构的水动力系数相比于裸圆柱明显减小。     

正三角形排列三圆柱绕流与涡致振动数值模拟

基于有限体积法求解二维粘性不可压缩N-S方程,对低雷诺数下正三角形排列等直径三圆柱的绕流与涡致振动进行数值模拟。圆柱振动简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,圆柱的动力响应通过Newmark-β方法求解。间距比在1.5~6.0之间变化,重点研究各圆柱的气动力和响应及相关的频率特性、尾流流动模式随间距比的变化。研究结果表明:三圆柱发生振荡时的气动力要远大于绕流结果,当间距比在3.5~4.0之间气动干扰最为强烈。当间距比大于3.0时,下游圆柱的横向和流向位移相位差出现周期性切换,导致升力系数均值出现波动,并且下游圆柱的质心运动轨迹为斜向上和斜向下椭圆形的叠加。三圆柱的最大横向位移幅值均能达到0.9D,下游圆柱的最大流向振幅达到1.1D,这说明组成多圆柱振荡系统单柱的横向位移远大于孤立圆柱发生涡激共振的最大位移,并且下游圆柱的流向振荡不可忽视。     

谱单元法及其在多圆柱绕流分析中的应用

系统阐明谱单元方法,基于谱单元方法对低雷诺数Re=200时不同间距下的顺排两圆柱和Re=150正方形排列的四圆柱绕流及其阻力系数、升力系数等进行数值模拟。研究比较不同间距比L/D(两圆柱圆心距离与圆柱直径之比)对两圆柱和四圆柱绕流的影响,计算分析了涡量图分布、平均阻力系数和斯托罗哈数随间距比的变化。研究表明,间距比对顺排两圆柱和正方形四圆柱绕流影响显著;顺排两圆柱绕流存在临界间距比,在Re=200时临界间距比约为3.6。正方形排列四圆柱存在三种流态。当流场从一种流动形态变成另外一种流动形态时,力学参数发生显著变化,在某些间距比区间内出现骤升或骤降现象。     

低雷诺数翼型层流分离现象大涡模拟方法

为准确预测翼型低雷诺数条件下出现的层流分离流动现象,发展了基于结构化拼接网格的大涡模拟方法。控制方程为Favre滤波Naver-Stokes方程,并选用多种亚格子模型。空间离散采用AUSM格式以及高阶WENO格式,时间推进采用显式方法和隐式方法。以SD7003翼型在雷诺数60 000及4°迎角下的层流分离流动为研究对象,对比分析了数值格式、亚格子模型、网格尺度对流场预测结果的影响。数值结果表明:划分的计算网格能够有效解析小尺度流动结构,基于隐式亚格子模型、采用AUSM格式和双时间步推进的大涡模拟方法能够准确预测流动分离、转捩、再附等复杂流动现象,计算得到的平均压强系数与雷诺应力分布与文献数据吻合较好。与转捩模式计算结果对比进一步表明:发展的大涡模拟方法能够准确预测翼型低雷诺数层流分离流动非定常演化过程,为下一步的研究工作建立了有效的数值模拟手段。     

基于黏性涡域法的二维钝体绕流模拟

针对传统计算流体力学方法需要划分网格且计算耗时长等问题，一种确定性涡方法(黏性涡域法)逐渐发展并日臻成熟。本文利用该方法计算模拟了二维钝体的流场、气动系数及斯特劳哈尔数，并与其他成熟CFD软件计算结果对比来验证模拟精度。黏性涡域法的模拟过程为生成涡量、涡量演变及气动计算。文章首先推导了该方法各过程的基本方程，然后基于Lua语言编制了圆柱和方柱绕流计算程序，最后利用Gnuplot实现流场可视化。利用黏性涡域法模拟不同雷诺数下圆柱绕流、不同无量纲频率和无量纲振幅的振动圆柱气动力时程、不同风向角下的方柱绕流，结果表明：雷诺数为2×10²～1×10⁵时，基于黏性涡域法的圆柱绕流气动计算结果与其他方法的计算结果基本一致；基于该方法的不同风向角下方柱绕流气动计算结果与其他文献结果趋势相同。     

雷诺数对机翼尾缘噪声的影响

采用二维直接数值模拟,研究了雷诺数对NACA0015翼型尾缘噪声特征和噪声机理的影响。研究结果表明翼型尾缘噪声机理和频谱特征随雷诺数变化而显著不同,在中等雷诺数(Re_c=5×10~4)条件下,吸力面与压力面的脱涡结构独自诱导发声,在频谱上表现为在多个不同的窄带峰值频率,利用线性稳定性分析,表明脱涡结构频率与不稳定T-S波的增长频率一致,尾缘脱涡结构的生成和噪声激励之间存在闭环反馈环机制,且闭环反馈环机制同时存在于机翼的压力面与吸力面。在低雷诺数(Re_c=1×10~4)条件下,仅观测到的单一的窄带频率,其原因与剪切层的固有不稳定性直接相关。     

虚拟体法数值模拟双圆柱强迫振荡系统

用虚拟体方法研究了均匀流及尾流中圆柱横向振荡的流动特征.单圆柱结果与相关试验吻合,得到了"锁定"区域,发现涡量跳跃现象.对小间距双圆柱的数值模拟发现,在"锁定"区域附近随激励频率的增加流场特征会出现若干显著的变化,包括涡量的跳跃,涡模态的改变,正负涡量带的形成和消失.在大间距情况下发现下游圆柱的振荡对上游尾涡脱落没有明显的影响,下游圆柱尾流场没有发现"锁定"现象.     

双圆柱绕流诱发振动的数值模拟(Part I横向振动)

采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法数值模拟圆柱在尾流中的流体诱发振动特性。重点分析了圆柱的动力学响应特性,包括升阻力、位移振幅、拍和锁定等现象;另外也详细分析了圆柱的尾涡结构。研究结果表明,在串列下,大质量比时,圆柱的振动会受到抑制,小质量比时,圆柱的振动则会被放大;较之孤立柱的情形,圆柱共振发生在低于且接近于1.0的频率比带内且不易随质量比的变化发生偏移;小质量比下圆柱振幅及共振带都要比大质量比下的大得多;不同频率比和间距比下,圆柱的动力学特性存在明显的差异,相应的涡脱落模态呈现出2P、P+S和2S模态甚至是2P+S模态,各种模态之间互相竞争促进流固耦合的不断变化发展,导致涡间距和涡街宽度的变化。     

双圆柱绕流诱发振动的数值模拟(PartⅠ横向振动)

采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法数值模拟圆柱在尾流中的流体诱发振动特性.重点分析了圆柱的动力学响应特性,包括升阻力、位移振幅、拍和锁定等现象;另外也详细分析了圆柱的尾涡结构.研究结果表明,在串列下,大质量比时,圆柱的振动会受到抑制,小质量比时,圆柱的振动则会被放大;较之孤立柱的情形,圆柱共振发生在低于且接近于1.0的频率比带内且不易随质量比的变化发生偏移;小质量比下圆柱振幅及共振带都要比大质量比下的大得多;不同频率比和间距比下,圆柱的动力学特性存在明显的差异,相应的涡脱落模态呈现出2P、P S和2S模态甚至是2P S模态,各种模态之间互相竞争促进流固耦合的不断变化发展,导致涡间距和涡街宽度的变化.     

翼型低雷诺数层流分离现象随雷诺数的演化特征

层流分离现象是翼型低雷诺数条件下出现的典型流场特征。层流分离流动中包含流动分离、转捩、再附等非定常流动结构，层流分离流动的形成与演化会对翼型气动特性产生恶化作用。采用大涡模拟（LES）方法对低雷诺数范围内不同雷诺数下的翼型层流分离流动开展精细数值模拟，研究了雷诺数对翼型气动特性的影响规律及作用机理。LES方法采用隐式亚格子模型，基于结构化拼接网格，对流项离散和时间推进方法分别采用AUSM⁺格式以及双时间步方法。验证算例计算结果表明数值模拟方法的正确性及可靠性，雷诺数对翼型气动特性具有显著影响。随雷诺数降低，时均分离泡外形增大、位置后移，平均阻力系数增大，特别是在较低雷诺数下，翼型升阻力系数随时间出现振荡现象。进一步研究表明，造成不同时均分离泡形态和气动特性的原因在于翼型上表面分离剪切层的失稳与转捩特征。随雷诺数降低，流动黏性增大，导致分离剪切层速度梯度减小，流动发生转捩及再附位置后移，直至翼型表面不再发生转捩和再附。     

液体圆柱射流破碎过程的实验

采用高速摄像仪对圆柱射流的表面剥离现象和射流破碎长度进行了实验,在低速射流下,分析了Rayleigh模式下主液滴和卫星液滴形成过程及运动规律.随着射流速度的增大,射流表面开始出现了表面剥离小液滴.并发现存在一个临界雷诺数,当超过临界雷诺数时,射流表面出现表面剥离现象.通过对射流中表面剥离现象的实验和分析,给出了两种射流破碎长度随雷诺数变化规律和破碎长度拟合关系式.      

壁面的表面粗糙度引起的Stokes层亚临界不稳定性

用数值模拟的方法研究了二维壁面的表面粗糙度下Stokes层的非线性亚临界不稳定性问题.发现当粗糙度高度极小时,响应系数曲线与线性情况就会产生较大偏离.随着粗糙度高度的增加,扰动1阶谱会出现亚谐波的成分,粗糙度高度的进一步增加使扰动1阶谱进入混乱阶段,显示出亚临界失稳的过程.根据粗糙度高度与扰动1阶谱演化的特征关系,定义了临界粗糙度高度,并给出临界粗糙度高度与雷诺数的关系曲线.结果表明:临界粗糙度高度随着雷诺数增大而减小.雷诺数为300左右时,微米量级的粗糙度高度就可能引起Stokes层的亚临界失稳,发生转捩,由此也可以给出实验中观测到的转捩通常都发生在雷诺数为300附近的原因.      

直方管内充分发展湍流的大涡模拟 第一部分

本文用大涡模拟的方法对直方管内Ｒｅ＝４．９×１０￣４的充分发展湍流运动进行数值模拟，所得结果清楚地显示了二次流的存在。统计平均量的数值结果也与实验结果吻合甚好，这表明大涡模拟是高雷诺数复杂湍流运动数值模拟的一个有效手段。