入射涡与圆柱相互作用的数值模拟

本文用快速涡方法对入射涡与圆柱的相互作用进行了数值模拟,观察到了入射涡在圆柱表面上诱导的二次分离和三次分离现象。二次涡的产生,与入射涡配对,改变了它们的运动轨迹。二次涡是入射涡“回跳”现象的主要原因。本文还对不同入射涡强度及相互位置作了计算,并分析了不同参数对涡运动轨迹的影响。这些现象与涡的无粘圆柱绕流有着本质的差异。     

均匀来流中横向振动圆柱近迹涡结构的数值模拟

从涡量流函数形式的N-S方程出发,在不同的振动频率、振幅及Re数下数值研究了均匀来流中横向振动圆柱粘性统流的涡脱泻现象。着重探讨了近迹复杂的涡结构及其非定常演化过程,以及它们对物体受力特性的影响,并首次成功地模拟了近年来实验研究中所发现的一些重要的流动现象,如相位“开关”现象(phase switch phenomena)及复杂涡结构(complex vortex structure),等等。通过数值模拟,不仅能够再现实验研究中所发现的一些重要的流动现象,还可进一步预示某些新的流动现象,使数值计算起到与实验研究相辅相成的作用。     

不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟

采用浸入边界法对细长柔性圆柱在线性剪切流条件下的涡激振动进行三维数值模拟。细长柔性圆柱振动采用三维索模型模拟,其两端铰接,质量比为6,长细比为50,无量纲顶张力为496。来流为线性剪切流,剪切率从0到0.024变化,最大雷诺数为250。研究发现:剪切流作用下柔性立管横流向振动表现为驻波模式,而顺流向振动表现为行波-驻波混合模式。随着剪切率增大,振动频谱呈现多频响应,振动能量逐渐向低频转移。阻力系数平均值随着展向变化,脉动阻力系数和升力系数的均方根值均表现为“双峰”模式。流固能量传递系数沿立管轴向的分布表明,振动激励区集中于高流速区,而振动阻尼区多位于低流速区。剪切率较小时,圆柱的泻涡为平行交叉模式;剪切率较大时,圆柱的泻涡为倾斜泻涡模式,且由于泻涡频率沿立管轴向变化,尾流发生涡裂现象,形成泻涡频率不同的胞格结构。      

分离涡方法对梢涡中脉动量的数值模拟

分别用RANS-SA方法和DES方法对NACA0012翼端梢涡进行模拟计算,分析了梢涡区域网格局部加密对梢涡计算结果的影响,并与实验结果进行了对比.相比于RANS-SA方法,DES方法在梢涡流场计算中具有更好的适用性,能够得到更准确的流动信息和更精细的涡结构;另外,网格局部加密对脉动量的计算影响很大.通过对脉动量的分析发现,在近尾缘处,几股涡的融合产生了比较强烈的脉动,随着梢涡的逐渐稳定,脉动量也逐渐减小;现有的实验结果显示在偏下游处会产生梢涡的振荡现象,使统计脉动量增大,而本文计算中未发现该现象.     

圆柱绕流流场结构的大涡模拟研究

为进一步揭示绕流现象的形成机理,本文分别对处于层流稳态区、尾流过渡区、剪切层转换区Re分别为26、200、1.4×105的三种典型流态下的单圆柱绕流进行了二维数值模拟研究。Re为26时应用层流模型直接求解N-S方程,而Re分别为200、1.4×105时使用大涡模拟的方法进行计算。数值模拟很好地再现了稳定的涡旋结构、周期性交替脱落的卡门涡街结构、不规则的涡旋结构,在此基础上分析了尾流结构的基本特征及其压强分布规律、平均的流场特性、积分参数(如升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔等),并与有关研究成果进行了对比。研究发现,采用不同流动介质时流场特性有所差异,空气为介质时的计算结果更符合实验的成果,而水为介质时计算结果偏差较大,这主要是由尾流涡旋产生的不合理负压造成的。     

串列双圆柱绕流问题的数值模拟

本文运用有限体积方法,对绕串列放置的双圆柱的二维不可压缩流动进行了数值计算。为研究两圆柱不同间距对圆柱相互作用和尾流特征的影响,选取间距比Ｌ／Ｄ（Ｌ为两圆柱中心间的距离,Ｄ为圆柱直径）在１．５～５．０之间每隔０．５共八个有代表性的间距进行了计算模拟。计算均在Ｒｅ＝２００条件下进行。计算结果表明：对该绕流问题,流动特征在很大程度上取决于间距的大小。且间距存在一临界值,间距比从小于临界值变化到大于临界     

亚临界雷诺数下圆柱绕流的大涡模拟

本文应用Smagorinsky涡粘性模式和二阶精度的有限体积法对圆柱绕流的流场进行大涡模拟．求解了非正交曲线坐标系下的N-S方程,对雷诺数为100和20000的工况进行了计算．计算结果与实验及动力涡粘性模式的结果进行了比较,表明计算对于层流及高亚临界雷诺数的湍流流动是合理的     

用扰动涡方法模拟叶轮机内动静叶的相互作用

发展了一种研究叶轮机内动、静叶间的相互作用的新方法———扰动涡方法，它利用全三维的定常解为基础解，并由此给出非定常扰动场的初始解．为计算叶片对扰动场的响应过程，采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程，用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程．发展了代数湍流模型（Ｂａｌｄｗｉｎ Ｌｏｍａｘ湍流模型）在尾迹中的应用方法，克服了其它数值方法中无法准确捕捉尾迹中心线的运动轨迹，以及计算出的边界层外的湍流涡粘性系数偏大的缺陷．利用该方法计算轴流叶轮机内由于动、静叶间的相互作用而引起的非定常流动过程，与实验的对照表明，模拟结果与实验数据吻合得相当好，从而说明本文发展的方法是可信的，为更直观地描述尾迹等非定常因素的流动及叶轮机内的掺混问题提供依据．     

利用O型环抑制圆柱绕流涡脱落的数值研究

圆柱绕流涡脱落诱发较大的振动和声,如何有效地抑制值得关注。利用大涡模拟技术求解了Navier—Stokes方程,得到了涡脱落频率,升力脉动幅值及平均阻力系数。计算表明二维模拟不能体现流动基本特征．三维计算与实验吻合较好。为了抑制涡脱落,在直径为D的圆柱表面装入间距为1D．直径为0．0167D的O型环。通过升力、速度谱分析以及柱向横截面流场分析可知．在光滑圆柱外表面加入O型环能诱发流体边界层分离,有效地抑制涡脱落现象．升力脉动和观测点速度脉动幅值几乎完全消失,阻力系数也略微降低,适合在实际工程中采用。     

可压缩流向涡与激波轴对称干扰的数值模拟

用ＮＳ方程数值模拟了可压缩流向涡和激波轴对称相互作用现象．数值模拟包括定常和非定常两种情况,计算结果分别与相应的实验进行了比较．结果表明数值模拟成功地捕捉到了激波和旋涡相互作用过程中发生的激波波面变形,激波振荡,涡核变大以及激波波后出现驻点、回流区等流场特征．提出了判断流向涡与运动激波相互作用中旋涡破碎的准则     

数值研究激波与旋涡的相互作用

从非定常形式的Euler方程出发,数值模拟了运动激波与旋涡相互作用的非定常流动过程。为保证激波具有较高的分辨率,采用对称型TVD格式进行了数值计算。结果表明。这样可以有效地模拟流场中一些复杂的流动现象,如激波变形、激波分叉和三波点的形成,以及旋涡结构的变化过程等,并与已有的实验流动显示相符良好。同时,也是对TVD格式求解这类问题的一次初步尝试。     

可压缩流向涡与激波轴对称干扰的数值模拟

用ＮＳ方程数值模拟了可压缩流向涡和激波轴对称相互作用现象。数值模拟包括定常和非定常两种情况,计算结果分别与相应的实验进行了比较,结果表明数值模拟成功地捕捉到了激波和旋涡相互作用过程中发生的激波波面变形,激波振荡,涡核变大以及激波波后出现驻点、回流区等流场特征。提出了判断流向涡与运动激波相互作用中旋涡破碎的准则。     

激波与涡对相互作用的实验研究

在方截面激波管中进行了平面运动激波和涡对的二维相互作用实验，研究了激波与同向涡对、激波与反向涡对相互作用的非定常过程．根据实验照片，分析讨论了作用过程中激波的变形，二次激波和三波点的形成、演变，激波与激波的相互作用，以及旋涡结构的变化等．实验表明，激波通过涡核时，激波发生剧烈变形，旋涡强度增大，涡核形状改变．     

LARGE EDDY SIMULATION ON THE EVOLUTION AND THE FAST-TIME PREDICTION OF AIRCRAFT WAKE VORTICES

随着我国人民生活水平的提高,航空运输的重要性与日俱增,航班延误问题也日益严重.尾流间隔（保障后机不受前机尾流影响的最小安全间隔）是制约机场效率的关键因素.针对这一工程应用问题,采用大涡模拟方法研究飞机尾涡在大气中的演变特性.研究工作首先发展了飞机尾涡演变的大涡模拟方法,将自适应网格技术应用于飞机尾涡演变的大涡模拟,大幅减少所需的网格量,提高计算效率.提出了升力面尾涡生成方法,在不增加计算量的情况下实现了尾涡卷起过程和远场衰减的组合模拟.在系列算例分析研究基础上,创建了基于大涡模拟计算结果的尾流间隔快速预测系统.该系统可以根据实时大气风场和进出港的前后飞机机型,快速预测并输出所需的尾流间隔.经过与场地测试数据比较表明,在北京市2014年的平均风速条件下,本系统预测的尾流间隔可在现有标准基础上缩减7%~50%,能够有效提高机场容量.     

进口受控非定常来流同振荡叶栅相互作用的Euler方程数值解

将 Dcnton 的四角点有限面积格式用于求解变换坐标系下的非定常 Euler 方程组,在振荡叶片附近局部子域构造了一种按等差级数分布的动态网格,从而节省了计算时间,对于本方法的正确性进行了初步检验并与相应的实验进行了对比,在进口总压简谐振荡的束流条件下,计算了零安装角平板叶栅和53°安装角双凸叶栅扭转振荡的非定常流场,结果表明,进口受控扰动同振荡叶栅之间的相互作用在有压力梯度的情况下可以定性地改变叶栅的气动阻尼。