分层流体中尾流混合效应数值模拟

根据扰动源的不同,内波可分为体效应内波和尾流效应内波。体效应内波研究方面,有较为成熟的理论,尾流效应内波方面,因尾流中伴随有涡旋、湍流、剪切流以及各类不稳定性的随机现象,使得内波产生机制尚没有一致的结论。运动物体产生的尾流先后经历混合、塌陷以及振荡激发生成内波,该文针对尾流效应内波激发生成前的尾流混合过程,建立了Les-Mixture数值模型,对尾流混合进行分析并获得混合垂向区域随内弗劳德数变化的规律。     

舰船气泡尾流尺度效应研究

为了得到有效的舰船气泡尾流尺度效应数值模拟方法,该文对气泡尾流分别进行了基于欧拉双流体模型的均一直径气泡模拟(ETF)和带气泡尺寸分组的相群平衡模型模拟(PBM),最终选定PBM模型进行尺度效应研究.通过对空气卷吸模型的探讨,在弗劳德数相似的前提下,设计了多个数值试验模型,研究了气泡尾流中的尺度效应影响.结果表明:大尺度模型对应的气泡尾流要显著于小尺度模型,前者无论是自由面气相分数还是物面气相分数都要显著高于后者:进行气泡尾流实验室研究时,若严格按几何相似进行缩尺比实验,可能难以得到有显示度的结果.     

低雷诺数条件下并列三圆柱绕流的尾流模式和水动力系数研究

该文应用浸入边界法对雷诺数Re(28)100和间距比T/D(28)1.1-5.0条件下的等间距并列三圆柱绕流进行了数值模拟。研究发现,尾流模式与无量纲圆柱间距比T/D密切相关,在所研究的间距比范围内共出现六种尾流模式,分别为:单体尾流模式(T/D(28)1.1-1.2)、偏斜尾流模式(T/D(28)1.3)、第一类Flip-Flopping(FF1)尾流模式(T/D(28)1.4-1.5)、第二类Flip-Flopping(FF2)尾流模式(T/D(28)1.7-2.3)、同步尾流模式(T/D(28)2.5-3.2)和调制尾流模式(T/D(28)3.3-5.0)。通过分析近尾流的涡量图、升阻力系数时程曲线和不同圆柱所受升力的相位差,详细研究了各个尾流模式的特点和联系。     

偏航对串列双风机发电功率影响研究

尾流效应是造成风场发电损失的主要原因之一,通过对上风向风机进行偏航调控和优化风场机位布局可以降低串列风机的尾流.为了探究各主要因素对降低尾流的效果,针对两台串列布置的NREL-5MW风电机组,采用Bastankhah尾流模型进行尾流区风速模拟,计算分析了不同机位距离、入流风速和湍流强度情况下,调控上风向风机偏航角度对串...     

黄河下游滩区村台绕流特性数值研究

采用雷诺平均的不可压缩流体控制方程和RNG k-ε湍流模型,对不同来流角、长宽比作用下村台周围的分离区及尾流区进行了数值模拟,得到了村台周围分离区及尾流区的时均流场分布。在此基础上,分析了不同长宽比和来流角对村台绕流下游尾流区长度、宽度和脱落涡频率的影响规律。结果表明:随着来流角的变化,村台绕流的分离区及尾流区特征受迎水面宽度的影响较大,特别是尾流区长度和宽度几乎与迎水面宽度成正比;随着长宽比的增加,村台周围分离区范围增大;村台尾流区的长度、宽度和脱落涡频率,在长宽比K<2.5时随长宽比K的增加略减小,在K=2.5附近达到最小值,然后随长宽比的增加而增大。     

近平板圆柱体气动力雷诺数效应

该文通过风洞试验对水平板附近圆柱气动力特性进行了研究。实验中圆柱平板间隙比G/D=0-2.0,雷诺数范围为1.9×10~5-4.5×10~5,涵盖了亚临界、临界与超临界区。研究发现,G/D=0和0.05时,在该实验雷诺数范围内圆柱气动力没有雷诺数效应,圆柱上侧始终处于湍流分离状态;G/D≥0.1后,气动力存在明显雷诺数效应,但G/D并不影响临界雷诺数的数值。当0.1≤G/D≤0.4时,圆柱上侧边界层首先发生湍流转变;而当G/D≥0.5时圆柱下侧边界层首先发生湍流转变。亚临界区内,G/D≥0.5的圆柱尾流出现周期性涡脱;而小间隙比下,圆柱涡脱被平板抑制。临界与超临界区域内,各间隙比下圆柱尾流中都无周期性涡脱存在。     

浅水圆柱绕流流动模式探讨

数值求解了二维浅水方程和RNG k-ε流模型,模拟了不同稳定性系数S和圆柱中心间距G下的单圆柱、两圆柱和三圆柱的尾流流动模式,研究了底部摩擦力对尾流结构的影响。结果表明:随着S增大,尾流在底部摩擦力的作用下趋于稳定,大尺度涡结构逐渐消失。单圆柱尾流区依次出现了涡街（VS）尾流、不稳定漩涡（UB）尾流和稳定漩涡（SB）尾流。多圆柱尾流除了受S数影响外,还与G密切相关。随着G的增大,两圆柱背后依次出现了单钝体绕流、偏转尾流和对称尾流,三圆柱背后则依次出现了单钝体绕流、偏转尾流、对称尾流和非对称尾流。此外,数值结果还表明多圆柱尾流结构不同于单圆柱,多圆柱并排使得尾流更加不稳定。     

离散涡方法在串列圆柱和张力腿平台绕流中的应用

海洋立柱和立柱群绕流是经典的流体力学问题,研究立柱排列方式、雷诺数和来流方向等因素对尾流形态和受力特性的影响,具有重要的理论和现实意义。传统的CFD方法大多存在计算时间长、难以处理复杂边界和数值耗散等不足。离散涡方法是将N-S方程表达成拉格朗日形式并用涡量-速度表示出来,不存在数值耗散,同时能使计算效率大幅提升。该文采用离散涡方法对不同间距比下串列双圆柱绕流的尾流特征和受力特性进行了研究,结果表明当间距比为2和3时,漩涡脱落仅发生在下游圆柱上,而上游圆柱不发生漩涡脱落现象,上游圆柱阻力系数为正数,下游圆柱阻力系数为负数;而当间距比为4时,上下游圆柱上均发生了明显脱涡现象,且上游和下游阻力系数均为正数。用离散涡方法对简化的张力腿平台模型进行了数值计算,研究了不同雷诺数及不同来流方向的绕流特征和受力特性,并与实验结果进行对比,表明不同流向角下张力腿平台的尾流形态为典型的2S脱涡模型。且除0°外,在其他不同角度下阻力系数随着雷诺数的增加先减小后保持平稳。     

水下管道涡激振动的实验研究

本文对裸露悬空管道在稳定流中的振动现象进行了实验研究。通过对不同管径,不同跨长,不同边界条件的１１组模型在不同流速下的试验,得出管道产生涡激振动时诸参数间的关系,运用尾流振子数学模型进行计算,结果表明：实验与计算是吻合的。提出了防止管道疲劳破坏的条件,这对于穿越河流管道的设计和现有管道的加固有现实意义。     

有限深分层流体中运动物体尾流生成内波的一种移动脉动源方法

分层流体中运动物体激发的内波可分为两类,一类是体效应内波,另一类是尾流内波。对于体效应内波,理论研究趋于成熟;而对于尾流内波,主要以实验研究为主,理论分析相对欠缺。该文采用一种移动脉动源来模拟分层流体中运动物体的尾流效应,结合内波本征值问题及Fourier变换等方法,得到了计算有限深分层流体中移动脉动源生成内波垂向位移场的表达式。此法适用于有限深度中的任意分层流体。利用该理论模型,对Robey实验条件下的密度分层流体进行了数值模拟。重点从波系和波形分析文中解释了实验中存在的两个现象:即物体高速运动时横波系的存在和散波系的分离。针对运动波形,进行了数值和实验结果比较,表明了所建模型的合理性与有效性。     

串列双圆柱涡激振动响应的数值模拟

该文利用动网格技术对雷诺数Re=100的串列双圆柱的涡激振动响应特性进行了详尽的数值研究。研究了上游圆柱固定,下游圆柱横向振动时,不同间距比(L/D=2-5)和折合流速(Ur=2.4-12)对上、下游圆柱的升阻力特性、涡激振动响应特性和圆柱间干扰效应的影响;以及下游圆柱双自由度(横向和流向振动)涡激振动响应特性。研究发现:随着间距比的增大,下游圆柱开始进入"锁定区间"的Ur减小,且下游圆柱的涡激振动对上游圆柱的影响逐渐减弱,但上游圆柱对下游圆柱的干涉效应一直存在。对于不同间距比,在折合流速Ur=7.2附近,下游圆柱的升阻力系数具有很明显的"跳跃"现象,并出现阻力峰值,且不同间距比的下游圆柱都在Ur=7.2时获得最大振幅且幅值相近,这意味着下游圆柱可能在此折合速度下被完全诱导,当下游圆柱被完全诱导振动后,间距比对圆柱振幅的影响较小。不同的折合流速下,小间距比(L/D=2)和大间距比(L/D=5)的尾流会表现出不同的流动形式和"2P"、"2S"等涡脱形式。下游圆柱双自由度振动时,流向振动相对横向振动振幅较小。     

不可压缩空腔流振荡模式和声学特性研究

不可压缩空腔流的振荡模式和声学特性研究近年来成为研究的热点,而空腔的长深比(L/H)是影响空腔流振荡模式和声学特性最重要的参数之一。该文在五类不同的长深比(L/H=4:1、2:1、1:1、1:2和1:4)下,来流分别为2 m/s和4 m/s时,对比分析了空腔流的振荡模式和流动特性。另外,使用大涡模拟(LES)声类比混合方法预测不同情况下空腔的声学特性,先用LES计算所得到的空腔非定常流场建立声源项,然后使用Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声类比来预测远场噪声,比较不同长深比空腔的声学特性。计算结果表明,对L/H=4:1的空腔流动,振荡模式是尾流模式;而在L/H=2:1的情况下,振荡模式是剪切层模式;当L/H减小到一定程度时,将不会发生振荡。空腔的主要噪声源是空腔流激振荡,低频下声源声压级较大;空腔的总噪声级具有指向性。     

不同工况下潮流能水平轴水轮机大涡模拟研究

该文结合大涡模拟以及致动线法对潮流能水平轴水轮机进行数值模拟研究,并通过拖曳水池实验获得了水轮机的一些性能参数。首先,将数值模型与试验数据进行对比验证,这在均匀流下吻合得很好。然后,研究了不同来流对水轮机尾迹的影响。结果表明,不同的入流条件下尾流混合速度也不同。在湍流入流条件下,尾迹是不对称的,并且在水轮机下游区域迅速混合。此外,该文还研究了湍流强度以及入射角对水轮机性能和尾流场的影响。     

考虑尾流效应与载荷损耗的风电场优化控制

为降低尾流效应对风电场内风电机组输出功率和所受载荷影响,分析了风电机组运行状态与尾流分布、功率输出、载荷损耗之间关系,提出一种考虑尾流效应与载荷损耗的风电场优化控制模型。针对控制模型维数高,耦合参数多的问题,采用一种基于改进非线性收敛因子和引入混合蛙跳算法最差蛙位置改变策略的改进鲸鱼优化算法(IWOA);以模型轴向诱导因子为控制变量,功率输出最大和载荷损耗最小为目标函数,对丹麦Horns Rev1风电场进行仿真分析。结果表明,所提优化控制方法可有效提高风电场输出功率,降低风电机组载荷损耗。     

轴对称细长体的垂直出入水

在忽略压缩性、粘性和表面张力以及不发生空泡的前提下,本文研究了轴对称细长体垂直出、入水运动的水动力学问题。在得到二层不同密度流体系统中作任意运动的变强度点源解的基础上,获得了轴对称细长体垂直出、入水的解析解。由于在线性化假定下计入了空气密度和重力的影响,本文结果可以适用於任意密度比和任意傅汝德数。     

零攻角和小攻角下带空泡轴对称细长体的水动力计算

本文利用数值计算手段研究零攻角和小攻角下轴对称细长体的肩空泡形态，压力分布和水动力等特性。潜体绕流问题的求解是利用物面布置奇点的有限基本解方法，发展一种有效的迭代方法－自适应改进型牛顿迭代法求解空泡自由表面的形状，这种迭代法本文选用的空泡尾流模型，收敛性很好。     

水面舰船气泡尾流的电导率特性和热特性的实验研究

在实验室水槽中用微孔陶瓷管模拟了水面舰船的气泡尾流，采用自制的包含电导率探头和温度传感器的复合探头，测量了模拟气泡尾流的电导率信号，并在海上实测了不同水面舰船气泡尾流的电导率信号和热特征信号，分析了这两种信号的形成机理及其主要影响因素。实验测量结果表明：水面舰船气泡尾流区的电导率信号和热特征信号与非尾流区的信号具有显著差别，尾流区与非尾流区的信号差值与海洋垂直温度梯度的大小、目标船的吨位和吃水深度及航速的大小成正比。     

大气边界层入流下错列排布三风机气动性能数值模拟

随着风力发电领域的快速发展,世界范围内风电场的数量及规模都在不断地扩大。在紧密布置的风电场中,前排风机尾流的速度亏损对后排风机的功率输出和气动载荷均会产生较大的影响。该文基于美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)在Open FOAM平台上开发的SOWFA求解器,采用域前模拟法生成大气边界层入流,结合致动线模型与大涡模拟方法,研究水平错列及垂向错列的尾流抑制策略对对流大气边界层下3台NREL5MW风机的输出功率及气动性能的影响。首先对3台串列式风机的气动特性进行计算,然后分别研究第二排风机使用水平错列及垂向错列两种不同尾流效应抑制策略的作用效果。结果表明:在对流大气边界层入流条件下,水平错列排布并不能提升风机组总输出功率,而垂向错列排布可以明显地提升后排风机的输出功率,并且后排风机的气动性能相比于串列布置情况并不会恶化。     

OpenFOAM在植被水流模拟中的应用

鉴于水生植被广泛存在于长江口河道滩地,其对滩地水动力特性和泥沙沉积等有重要影响,采用Open FOAM模型模拟了斑块植被对水动力特性的影响,对比分析了不同密度斑块植被对水流结构影响。结果表明,不同密度植被尾流结构差别明显,植被较密时,下游侧植株周围流速明显减小,尾流结构不明显。     

螺旋桨和导管桨尾流冲刷的试验研究北大核心CSCD

通过对400 rpm、500 rpm和600 rpm三种不同转速条件下导管桨及螺旋桨的尾流冲刷开展试验研究,对冲刷后的沙坑进行测量,构建各时刻高程点阵获得沙坑几何形状。经过对比分析发现:随着冲刷的发展,冲刷坑慢慢趋于稳定,稳定后的冲刷坑并不沿轴线对称,其最大冲刷深度和最大沉积丘高度分别位于轴线的两侧。随着转速的增加,冲刷愈发剧烈,形成更深和更长的尾流冲坑,形成更高的沉积丘。在相同转速条件下,导管桨的冲刷坑比螺旋桨的冲刷坑更长、更窄和更浅。