低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,实验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征进而提取出流动分离点,采用旋转强度的方法来识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明,在低柱体雷诺数水流条件下(ReDlt;5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡也急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000lt;ReDlt;8 000后流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当ReDgt;8 000后,流动分离点向下游移动缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,实验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征进而提取出流动分离点,采用旋转强度的方法来识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明,在低柱体雷诺数水流条件下(ReDlt;5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡也急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000lt;ReDlt;8 000后流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当ReDgt;8 000后,流动分离点向下游移动缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,试验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征提取出流动分离点,采用旋转强度的方法识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明:在低柱体雷诺数水流条件下(Re D5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下的参数。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000Re D8 000流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当Re D8 000,流动分离点向下游缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

旋转圆柱尾涡及受力计算方法研究

为了研究旋转圆柱的三维流场和受力特性,本文采用沉浸边界-格子玻尔兹曼方法(IB-LBM),对均匀来流条件下旋转圆柱进行了数值模拟,分析了不同相对转速和雷诺数的影响。结果表明旋转作用使尾涡与流动方向之间产生一定夹角,相对转速的增大致使停滞点向上移动,并且影响柱体周围流速的损失。相对转速在1～2存在临界点,临界点前后速度波动范围发生改变。雷诺数能改变正负涡的脱落状态,增加柱体尾涡的三维性,并对升阻力产生相反的影响。计算结果验证了IB-LBM在处理旋转问题时的可行性,当前结果与文献中的结果相吻合。     

不同截面形状柱体流激振动能量转换特性分析

为了比较不同截面形状柱体的流激振动特性,探讨适用于流激振动能量转换的柱体截面形式,本文基于雷诺平均N-S方程,结合SST k-ω湍流模型和任意拉格朗日欧拉流固耦合动网格控制方法,对高雷诺数、高阻尼比条件下,圆柱、方柱、类梯形柱、梯形柱及T字形柱等5种不同截面形状的柱体流激振动进行数值模拟,模拟中保持各柱体的特征长度相同,质量比、阻尼比、同一流速下的雷诺数和约化速度等重要无量纲参数也均保持一致。计算结果表明:圆柱的振动表现为典型的涡激振动,其他4种柱体的振动均为驰振,在较低约化流速下T字形柱获得的功率均较其他柱体获得的为大。各柱体能量转换效率均随约化速度的增加先增大后减小,中间存在一个峰值,5种柱体中T字形柱的最大能量转换效率为最大,达到了42. 5%,其次为圆柱,为27%。为了达到最大能量转换效率,圆柱和方柱所需要的流速最小,其次为T字形柱。从分析结果来看,T字形柱和圆柱对于低流速下的能量转换较为有利。     

基于格子Boltzmann方法后台阶流动特性的研究

格子玻尔兹曼方法（LBM）是近几十年来发展的一种介观尺度的数值模拟方法,具有良好的处理复杂边界的能力和并行计算能力。利用LBM对后台阶流动进行了数值模拟,得到了不同雷诺数下后台阶流动的特性。研究结果表明,在低雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而变大;在高雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而增加,增长幅度逐渐降低,当Re=8 000时,再附着点与分离点之间的距离趋于稳定,并达到峰值;随着雷诺数的继续增大,这个距离开始减小,最终趋于一个定值。对于高雷诺数下的后台阶流动,采用LES⁃LBM的方法进行模拟,与前人的实验数据吻合得很好,表明LBM⁃LES模型对高雷诺数后台阶流动进行模拟具有较高的精确性。     

横向磁场作用下Taylor-Couette流动数值模拟

采用Fluent模拟软件对横向磁场作用下液态金属镓的Taylor-Couette流动进行了数值模拟。考虑了有限长和无限长两种模型,模型半径比为1/2,长宽比为4。哈特曼数选取为0～50,雷诺数选取为10和259,分别对应层流Couette流动和Taylor-Couette流动两种工况。结果表明,对于雷诺数等于10工况,流体在横向磁场的作用下产生非轴对称的流型;随磁场强度增加,涡由圆环外侧移动到内侧,并呈现出扁平化趋势。对于雷诺数等于259工况,在磁场作用下,流场内泰勒涡尺寸变小,泰勒涡数量由2对增加至3对,并最终破裂。对于有限长和无限长模型,由于上下壁面边界条件不同,流型变化呈现出不同的特点。     

明渠湍流横向涡旋的尺度与环量特征

为了分析明渠湍流中横向涡旋的尺度与动力学特征,利用自主研发的高频粒子图像测速系统测量了6种水流条件下的明渠恒定均匀流时间序列流场,使用涡旋提取方法识别涡旋,提出一套简洁客观的涡旋尺度及环量确定方法,分析了明渠湍流横向涡半径与环量的特征。涡旋的无量纲尺度与强度仅与所在位置有关,与雷诺数等其它因素均无关系。从壁面附近至对数区的上边界,涡旋的平均半径增大。受水面影响,半水深以上的涡旋半径有逐渐减小的趋势。在粘性作用下,涡旋的平均环量由壁面至水面总体呈减小趋势。时均剪切对逆向涡旋的尺度与强度均有抑制作用,其平均尺度与环量在全水深均小于正向涡。     

绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性

为深入了解通气两相流的流场结构及水动力特性,在循环水洞中利用高速全流场显示技术及六分力天平测量技术,对绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性进行实验研究.结果表明:弹身区域流场呈均匀分布的水气两相混合状态,流动稳定,非定常特性不明显;尾部区域流场较为紊乱,非定常特性明显,尾部空泡涡的周期性脱落引起模型阻力系数出现周期性脉动现象.绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性与雷诺数及通气率有关.通气率的增加可降低由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度,而对尾部涡的脱落频率无明显影响;随着雷诺数的增加,由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度减小,尾部涡的脱落频率增加.     

一种二维高Reynolds数空泡型流场的计算方法

本文提出了一科简单有效的计算方法,用于模拟绕任意形状二维物体的高Reynolds数空泡型分离流场。基于流场边界层在其分离点处不断向下游释放小旋涡这一物理概念,根据涡量沿流程的分布并结合外部势流场的计算确定分离区边界,大大改善了空泡边界迭代的收敛性。     

基于气体动理学格式的平板绕流数值模拟

介绍了基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）模型的气体动理学格式Gas Kinetic Scheme（GKS）数值算法。给出了平板绕流的物理模型以及边界的处理方式,同时进行了算法准确性验证。对不同雷诺数条件下的单平板绕流进行数值模拟,随雷诺数的增大,涡不断被拉长,逐渐失去对称性,形成卡门涡街;对Re=300的前后平板绕流,当板间距较小时流场处于对称尾流区,没有涡的脱落,当板间距较大时会形成卡门涡街;对Re=300的上下平板绕流,当板间距较小时流场特征与单平板绕流相似,当板间距较大时会形成两列涡,在下游较远处开始逐渐合并。     

旋流消能工内空腔旋流的流速特性

为了揭示空腔旋流的内部流场特性,以公伯峡水平旋流消能工为例,结合数值模拟和试验成果,研究了空腔旋流的流速特性。结果表明,随半径的增大,同一轴向断面的切向流速呈先增大后减小的规律,具有组合涡的分布特性,而轴向流速具有先急剧增大,而后平缓变化的特性。旋流消能工内空腔旋流的流动以切向流动和轴向流动为主,且沿程是由切向流速向轴向流速转变的,并与旋流角的沿程分布相印证。组合涡指数是旋流内部流动自由程度和能量损失的体现,在研究流段上其值介于-0.8～0.5之间,并随半径的减小而减小;组合涡指数的沿程分布表明旋流消能工内的空腔旋流沿程是由准强制涡向准自由涡转变的。推导并建立了压强及流量的计算公式,代入数值模拟结果验证了空腔旋流的组合涡运动规律。     

基于准自由涡分布的阻塞旋流泄洪洞流场分析

为解决高坝泄洪建筑物亟待解决的高速水流问题,提出了新型的阻塞旋流泄洪洞。本文采用试验研究和理论分析相结合的方法,对该类泄洪洞在不同阻塞体型下的流态、泄流量、壁面压强、空腔直径、旋流角和流速等水力特性进行了研究,并在此基础上基于准自由涡分布理论对旋流流场进行了分析。结果表明,阻塞有利于改善旋流洞内流态,增大壁面压强,可大大减小空化可能性;阻塞使旋流空腔半径减小,旋流角增大,同时阻塞处水流急剧紊动,提高了水流消能率;阻塞可减小泄流能力是其不利之处。依据水流流动的形成机理分析和试验实测流速分布特点,基于准自由涡分布规律对切向流速进行了分析,得到了相关参数;建立了壁面压强、旋流角、空腔直径、泄流量与切向流速分布参数等水力特性间的关系式和相对轴向流速的计算表达式,并通过试验实测数据验证了旋流准自由涡运动规律的正确性。研究成果可为阻塞旋流泄洪洞的研究与应用提供参考。     

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。     

低雷诺数下串列双圆柱涡激振动的数值模拟

针对海洋立管中常发生的流致振动问题,本文采用自主研发的CIP-ZJU数值模型,对雷诺数Re=150条件下串列双圆柱的涡激振动进行模拟。该模型在笛卡尔网格系统下建立,采用具有三阶精度的CIP方法求解N-S(navier-stokes)方程,采用浸入边界法处理流-固耦合问题。本文仅考虑圆柱的横向振动,具体分析不同间距比和折合速度,并分别考虑上游圆柱固定和自由振动两种工况,得到柱体振动响应、受力响应和流场信息,验证了本模型在处理柱体涡激振动问题的有效性。结果表明:串列情况下下游圆柱的最大振幅要明显大于单柱的情况,双圆柱涡激振动的阻力系数普遍比单圆柱涡激振动时要小;上游圆柱固定时,下游圆柱的振动频率几乎不由斯特劳哈尔频率控制;而当上游圆柱自由振动时,在折合速度4≤Ur≤5时,上游圆柱后方产生两列涡,使下游圆柱的运动范围限制在两列涡之间,可对其振动产生了抑制作用。     

错列双圆柱的脉动升力特性及其流场机理

受到上游圆柱尾流作用,下游圆柱在小风向角下易发生尾流激振现象,脉动升力与尾流激振联系紧密,但以往针对脉动升力特性的研究较少,其流场作用机理尚未澄清.针对间距比为P/D=1.5~4的错列双圆柱,采用大涡模拟方法,在高亚临界雷诺数下(Re=1.4×10⁵),重点研究小风向角下（β=0°~30°）圆柱的脉动升力和流场结构之间的内在关系,基于流场特征讨论了上、下游圆柱之间的干扰机理.研究结果表明:在小风向角范围内,上、下游圆柱的脉动升力和流场特性变化剧烈,双圆柱会经历尾流干扰、剪切层干扰、邻近干扰、旋涡撞击及涡的相互作用五种干扰流态;在尾流干扰以及剪切层干扰流态下,下游圆柱的脉动升力远小于单圆柱;在邻近干扰流态下,上、下游圆柱相互间干扰较弱,下游圆柱的脉动升力接近于单圆柱;而在旋涡撞击流态和涡的相互作用流态下,下游圆柱的脉动升力则大于单圆柱,上游圆柱的尾流旋涡对下游圆柱的撞击或者与下游圆柱旋涡的相互作用会导致下游圆柱的脉动升力急剧增加.     

两种管径比的绕流热柱体旋涡信号比较

在考虑壁面热效应的情况下,当雷诺数为0.6×104~5.0×104,分别对管径比为0.4和0.24两种工况下的柱体尾迹旋涡脱落的流动情况进行实验.结果表明:加热使得旋涡流动发生明显变化,其影响表现在旋涡脱落信号傅里叶变换峰值的改变上;这种影响随雷诺数的变化有一临界值ReL,加热在ReL两侧对旋涡所起作用相反,并且ReL随管径比的不同而不同.通过对不同管径比工况的分析比较,发现同等加热强度下小管径比的壁面热效应对旋涡流动影响更明显.     

新型涡流发生器几何结构及换热计算关联式

通过对矩形风道内置有新型涡流发生器一斜截椭圆柱体强化传热性能和压降特性的实验研究,分析了不同雷诺数(Re=800~38000)工况下涡流发生器的几何尺寸和迎流方位对传热和压降的影响.实验结果表明:高宽比h/b=l/2的斜截椭圆柱体较好的几何尺寸和位置参数是斜边倾角α=20°,迎流攻角β=45°.这是马蹄涡和端部涡综合作用的结果.根据77个实验工况回归了斜截椭圆柱体涡流发生器强化换热的准则实验关联式,为工程应用提供了理论依据.实验采用了稳态的气水逆流换热方式,测温数据由HP34970A数据采集系统采集.     

排桩式波浪能发电装置附近流场特性研究

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和k?ω湍流模型,研究单排桩式振荡水柱式波浪能发电装置在规则波作用下的桩基附近流场特性. 通过物理模型实验验证所建数值波浪水槽的准确性. 模拟规则波作用下装置附近的流场特性,分析装置附近的涡特征以及其对装置附近泥沙冲刷情况的潜在影响. 结果表明,测试工况下,在桩式振荡水柱装置桩柱体的桩基附近观察到马蹄涡和尾涡现象,马蹄涡强度随着Keulegan–Carpenter（KC）数的增大而减小,尾涡强度随着KC数的增大而增大. 马蹄涡因强度过小,在模拟的KC数范围内不是装置桩基泥沙冲刷的主要因素,高强度的尾涡很可能成为装置桩基附近泥沙起动、输运和冲刷的重要影响因素.     

不同波幅条件下内孤立波对柱体作用机制研究

建立三维数值波浪水槽,采用大涡模拟(LES)技术模拟了内孤立波的产生、传播。对比不同波幅的内孤立波对柱体的作用规律。研究表明,以密度跃层为界,上下水层流体质点水平速度反向,进而形成剪切流,所产生的剪切力会对水下结构物带来威胁隐患;柱体所受的水平作用力随内孤立波波幅增大而增大。通过分析柱周水动力特性,提取相关水动力参数的云图及矢量图,深入剖析了柱体在分层环境下的受力机制。