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.     

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。     

高雷诺数下并列双圆柱绕流的大涡模拟

为澄清并列双圆柱结构发生偏向流现象的流场机理,采用大涡模拟(LES)方法,在高雷诺数下(Re=1.4×10~5)研究了并列双圆柱的气动性能及其流场特性随圆柱间距比P/D(P为圆心间距,D为圆柱直径)的变化规律,重点探讨了小间距并列双圆柱的偏向流现象及其对圆柱气动性能的作用机理.研究结果表明:大涡模拟方法得到的气动力结果与文献风洞试验值吻合良好;随着并列双圆柱间距的增大,绕流场会呈现单一钝体、偏向流和平行涡街等多种流态结构;当P/D=1.1时,绕流场会间歇性地出现单一钝体和偏向流流态,两种流态的气动性能和流场特性有很大差异,圆柱的气动力会随时间发生剧烈变化,呈现非稳态特征;当P/D=1.2～1.5时,绕流场呈现偏向流流态,两个圆柱的气动力和尾流呈现不对称现象,偏向流的偏转方向会出现间歇性地变化,尾流涡脱强度弱,气动力脉动小;当P/D=2～4时,绕流场总体呈现平行涡街流态,尾流涡脱强度强,气动力脉动大,气动干扰减弱.     

刚性薄平板绕流特性的数值模拟

为了揭示雷诺数、来流剪切参数对平板尾流涡街演化过程以及平板阻力特性的影响规律,本文基于浸没边界-格子Boltzmann方法建立了刚性薄平板绕流模型,并在雷诺数为100～1 200内,对不同雷诺数与来流剪切参数下的刚性薄平板绕流问题进行数值模拟。分别研究了平板尾流区沿流向的2次失稳跃迁过程以及平板流向载荷随来流剪切参数的变化及其对雷诺数的依赖性,并对其机理进行了讨论。研究表明：随着流场剪切参数的增加,平板近尾流经过数次准周期分岔过程进入了由大尺度涡结构所主导的混沌状态,进一步诱发了低频、混沌的结构阻力;雷诺数越大,向混沌特征流向载荷转变所需的临界剪切参数越小。     

基于动态亚格子模型的方柱绕流大涡模拟

目的 对高雷诺数下的方柱绕流进行数值模拟,得到方柱下流场时间平均结果以及湍流流场的流场特征,用于验证亚格子模型对大涡模拟(LES)计算精确性的影响.方法 基于有限体积法(FVM)的流体计算开源软件OpenFOAM,采用两种不同动态亚格子模型下的大涡模拟方法,模拟高雷诺数(Re =2.2 ×104)下的方柱绕流.结果 通过数值计算得到流场完整的平均和脉动结构,并得到阻力系数、升力系数、斯托拉哈数等重要的气动力参数,经对比与试验实际情况吻合.结论 高雷诺数复杂流场下亚格子应力的封闭形式对大涡模拟的计算结果有重要的影响,采用动态模拟技术一方程模型计算结果优于常规的Smagorinsky模型,在高雷诺数复杂流场下的计算是高效的,为结构抗风的数值研究提供了参考.     

基于动态Smagorinsky-MRT-LBM的圆柱绕流湍流研究

采用多松弛格子玻尔兹曼与大涡模拟的动态Smagorinsky亚格子涡粘模型相结合的方法对圆柱绕流湍流进行模拟,研究300至10 000不同雷诺数下的单圆柱绕流湍流涡的周期性变化。研究结果表明:计算所得的斯考特数值和阻力系数值与文献中实验结果以及有限元仿真结果基本一致,说明该方法对于不同雷诺数的湍流模拟是合理的。     

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。     

离散涡法模拟建筑物绕流流场

应用离散涡数值方法对高雷诺数下建筑物绕流流场进行了数值模拟，得到了不同相对位置、相对距离的建筑物在不同来流方向的分离流场和涡量分布，总结出受建筑物影响的流函数变化规律，取得了较为合理和可靠的计算结果，说明离散涡方法是研究建筑物的绕流问题的有效手段。     

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。     

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.     

旋转圆柱绕流的动力模态分析

圆柱旋转对绕流尾迹影响显著,应用粒子图像测速仪(PIV)对不同旋转速度比的旋转圆柱绕流进行实验研究.获得了高时空分辨率的圆柱尾迹的瞬时速度矢量场发展演化的时间序列样本.实验中圆柱的转速比由0至5.0逐渐增加,来流雷诺数为Re=1 000.使用动力模态分解(DMD)提取不同转速比下的速度场的各阶模态,研究不同转速比对圆柱尾迹结构形态的影响.通过分析DMD结果发现,随着转速比增加,涡旋周期性脱落减弱,尾迹偏向圆柱旋转的方向;另外圆柱的旋转可改变圆柱涡旋脱落频率,转速比在0至2.0范围时,涡旋脱落频率有逐渐增大的趋势;当转速比为3.0时,发现了旋转圆柱与尾流结构共振表现出低频涡结构特性,对相关工程领域避免事故的发生具有重要的指导意义.     

外壁转速对圆环扇形截面流道内流动特性的影响

圆环扇形直流道内的流体在轴向压降及外壁旋转共同作用下形成三维螺旋流动,针对不同外壁转速下的三维螺旋流动进行数值模拟,探究不同轴向雷诺数以及周向雷诺数下外壁转速对流体三维速度分布的影响规律.研究结果表明:在较低的外壁转速下,周向速度关于环扇形流道截面角平分线成对称分布,而径向速度关于角平分线成反对称分布;随着外壁转速的提高,三维速度分量的对称或反对称关系遭到破坏,速度中心的径向及周向位置随外壁转速产生有规律变化;外壁旋转的圆环扇形流道内具有三个涡流区域,其中靠近外圆柱面的主螺旋涡旋转方向与外壁面旋向相同,而靠近内圆柱面上下角点的两个Moffatt涡旋向与外壁面转动方向相反;主螺旋涡在外圆柱面带动下向其旋转方向偏移,而距离主螺旋涡中心较远的Moffatt涡在低压作用下涡流区域随外壁转速的提高而显著增大.     

稳定流与三翼圆柱的流固耦合研究

在低雷诺数下，应用有限元数值模型计算了带有三扰流翼板圆柱的涡激振动问题，研究涡的释放形式和圆柱的振动幅度．在数值模型中，针对低雷诺数外部流场采用无量纲的N-S方程，三扰流翼板圆柱振动简化为质量-弹簧的断面系统，通过在流固边界上位移与应力的反复迭代，进行三扰流翼板圆柱与外部流场耦合计算，计算结果表明triangle60型的三扰流翼板可以明显地减小圆柱的涡激振动．     

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.     

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。     

柱体绕流的CIP方法模拟

柱体绕流和流致振动现象是一个复杂的工程问题,利用自主研发的CIP-ZJU模型,对低雷诺数(Re300)圆柱和方柱绕流问题开展了数值模拟。模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线CIP方法作为流场的基本求解器离散了Navier-Stokes方程,基于多相流的理论实现流-固耦合同步求解,利用浸入边界方法处理固体边界。模拟结果与文献结果进行比较,二者吻合情况较好。通过引入压力阻力项和摩擦阻力项,分析了Strouhal数、阻力系数、升力系数等参数随雷诺数的变化情况。结果表明,圆柱绕流与方柱绕流在水动力参数的变化规律上存在多处差异。     

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。     

扭曲圆柱绕流特性的大涡模拟

为了有效抑制涡激振动对海洋平台和立管的破坏,需要对圆柱尾涡绕流特性进行进一步研究。本文采用大涡模拟方法对雷诺数Re=28 712时不同扭曲角度α的扭曲圆柱湍流流动进行了数值模拟。通过与光滑圆柱计算结果对比得知,α=40°时扭曲圆柱对阻力与升力的抑制效果最好,相应的涡形成长度显著增大,同时圆周表面最小压力系数要大于光滑圆柱,也为圆柱提供了更大的阻力减额。扭曲圆柱湍流动能分布以及尾流涡结构表明:其分离剪切层及尾涡脱落位置的延伸长度要大于光滑圆柱,且近尾流区的涡量值及涡波动幅值也减小了,这也最终直接导致圆柱阻力及升力波动幅值的减小。     

非定常不稳定气固两相流动的离散涡数值仿真—Ⅱ．具有剧烈分离的不稳定气流场的数值模拟

应用离散涡方法数值模拟了高雷诺数下的钝体（圆柱、方柱等）绕流,得到了流谱、涡谱等流动信息。从流谱和涡谱中可以明显看到流动分离、旋涡以及旋涡时间的发展演化,即成功模拟出流动所具有的非定常、不稳定等非线性特征。     

线性分层流中圆柱绕流数值模拟方法研究

为达到研究连续分层流中航行潜体尾迹探测之目的,探讨了线性分层流中基于多相流混合模型的圆柱绕流数值模拟方法。首次采用LES方法数值模拟了高傅汝德数下分层流动,成功模拟出试验条件下对应傅汝德数下的尾迹特征;用RANS方法实现了对低傅汝德数低雷诺数下分层流动流场的定量描述;通过对高雷诺数不同湍流模型下的流动展开讨论,发现采用不受各向同性假设限制的RSM模型进行分层湍流数值模拟是合理的,且对近壁面的处理要采用壁面函数的方法。基于多相流混合模型建立了傅汝德数从低到高,粘性模型从层流至湍流各个取值段模拟分层流动的数值方法。