立柱截面形状对半潜式平台涡激运动特征影响试验研究

基于模型试验方法,开展立柱截面形状对半潜式海洋平台涡激运动影响的研究。对立柱截面形状为圆形、方形的半潜式平台分别进行平面内三自由度涡激运动特征测定,得到不同工况下平台横荡、纵荡和艏摇运动的无量纲振幅与约化速度的相关性以及平台各向受力特征。试验结果表明立柱截面形状对半潜式平台的受力频率、响应幅值等涡激运动特征值有较大影响:各个流向下方柱半潜式平台的纵荡运动均观察到"驰振"现象,而圆柱平台纵荡运动是否发生"驰振"现象与来流方向密切相关,并且当"驰振"现象发生时,2个平台纵荡运动频率均稳定于0.38 Hz附近;整个约化速度范围内,方柱平台所受涡激升力与艏摇力矩频率主峰值之比基本保持1∶1关系,圆柱平台在非锁定区和锁定区内涡激升力与艏摇力矩频率比为1∶1,在超锁定区变为1∶1.5;多数工况下圆柱平台的横荡幅值明显大于方柱平台,而方柱平台的艏摇响应幅值远大于圆柱平台,最大幅值可达20.35°。     

半潜式海上风力机涡激运动试验研究

采用水槽模型试验的方法测试半潜式海上风力机在不同流向角下的涡激运动特征,并从响应幅值、运动频率等角度对其涡激运动的关键特征进行分析研究。结果表明:在不同来流方向情况下,半潜式海上风力机均未发生明显的频率锁定现象,但可根据质心运动轨迹等现象界定传统意义上锁定区域范围;根据运动频率特征可把半潜式海上风力机基础结构的涡激运动过程大体分为3个阶段,且各流向角情况下风力机运动频率规律类似,而响应幅值出现明显区别:流向角为0°或15°时,结构的响应幅值随约化速度的增大近似呈线性增大的趋势;流向角为30°或45°时,结构在锁定区域内的运动响应则出现明显的共振现象。艏摇运动固有频率对风力机涡激运动基本无影响,艏摇运动频率与横荡运动基本保持一致。15°流向角的多个约化速度下观察到“自激”现象,并对此现象做出初步解释。     

Spar型浮式风电基础结构涡激运动实验研究

对Spar型浮式风电基础结构进行水槽模型实验研究,并借鉴海洋石油领域的减涡措施,为模型安装螺旋侧板作为对比。测试不同约化速度和固有频率下的运动响应及顺流向、横流向动水压力,从响应幅值、涡泄频率、受力分析和运动轨迹等多个角度出发,分析其涡激运动的关键特征。研究表明:涡激运动锁定区前后阶段,涡泄频率与固有频率比值随约化速度呈线性增加,且锁定区前St≈0.18,锁定区后St≈0.14;螺旋侧板对运动轨迹、频率改变十分明显,其减涡效果显著。     

Spar型浮式风力机涡激运动特性及其抑制研究

为减轻涡激运动对系泊结构的疲劳破坏,提出一种波纹柱体结构,探讨其涡激运动特性及抑制机理。结构与流体的非线性耦合作用通过用户自定义函数（UDF）和动网格技术实现,运动微分方程采用四阶龙格-库塔法求解。研究发现,波纹柱体与裸圆柱结构的涡激运动特性明显不同。裸圆柱随折合速度的增加呈明显的锁定特性,而波纹柱体结构的涡激响应特性与波纹高度Hw/D相关。当波纹高度Hw/D=0.01和0.05时亦会发生锁定现象,但锁定区间较裸圆柱小,当波纹高度Hw/D=0.02~0.04时结构不再发生锁定问题。结果表明,波纹结构对柱体的涡激运动有明显抑制作用。     

考虑阻尼比的Spar式浮式风力机基础结构涡激运动特性研究

利用数值模拟方法对不同阻尼比条件下Spar式浮式风力机基础结构进行涡激运动特性的研究。从涡激运动响应幅值、频率比、位移、升力及拖曳力等方面研究Spar式浮式风力基础结构涡激运动的关键特性。研究表明:涡激运动上端分支对应的频率比为f_y/f_n≈1,且该分支出现最大幅值。随着阻尼比的增大,上端分支约化速度范围有减小趋势。低阻尼比下,力与位移的曲线出现"拍"现象;下端分支对应的频率比f_y/f_n均大于1,不随阻尼的改变而发生变化。上端分支与下端分支间,存在一过渡区域,该区域对应的斯托哈尔数St≈0.17,不随阻尼比的改变而改变。     

单自由度串列双圆柱协同作用下的流致振动试验研究

为揭示不同间距比(L/D)下串列双圆柱协同作用下的振动特性,采用自循环水槽对等直径协同运动的单自由度串列双圆柱进行了流致振动试验研究。试验所采用的串列双圆柱间距比L/D范围为1~5,雷诺数Re范围1×10~4~4×10~4,串列双圆柱质量比均为1.95。结果表明,L/D=1时,在试验Re范围内串列双圆柱产生较小幅度的振动;L/D=2时,串列双圆柱的振幅比A*在VIV上端分支初始段有陡降现象,其后随Re的增大,振幅持续增大同时频率开始下降,但测试范围内并未出现显著的驰振特征;L/D=3~5时,串列双圆柱随间距比L/D的增加,上游圆柱脱涡对下游圆柱的影响减弱,突显出单圆柱的"自限制"涡激振动特点。     

圆柱体涡激振动海流能捕获效率影响参数分析

圆柱体涡激振动发电装置是一种在浅海低流速条件下,利用涡激振动效应高效捕获海流能的设备,为了在不同海况下均能高效地捕获能量,有必要对获能原理和影响获能效率的参数进行分析。结合质量弹簧阻尼振子模型,在时间上对功率积分,建立柱体涡激振动获能效率公式,得到影响效率的参数;通过数值模拟,结合效率公式,对约化速度、阻尼比和质量比进行讨论,发现在约化速度Ur=12.5、阻尼比系数ξsystem=0.081、质量比m*=1.48的条件下,获能效率最大。     

基于SPIV的风力机叶尖涡与尾流流场相关性研究

采用三维粒子图像测速方法(SPIV),研究两种不同尖速比下的水平轴风力机叶尖涡演变过程及尾流速度流场特性。通过锁相技术,首次实现风力机下游远至2.7倍直径范围内的尾流数据采集,完整揭示叶尖涡发展湮灭的过程及其对尾流流场的影响。尾流轴向速度呈先减小至最大尾流衰减率后再逐渐恢复的规律,且发生该最大衰减率的位置与叶尖涡的运动密切相关;分析叶尖涡对尾流速度恢复的阻滞作用,提出以叶尖涡"交替跳跃"现象作为风力机近、远尾流区分界点标志的依据;在此基础上推导风力机近尾流区长度的计算公式。     

开槽圆柱孔气膜冷却流场的大涡模拟

采用大涡模拟的方法对开槽圆柱孔横向紊动射流流动进行数值模拟分析,并探讨在相同工况下,与圆柱孔附近壁面区流场、涡系结构以及传热特性进行比较,从而揭示其流动机理。计算结果表明:圆柱孔开槽之后主流和射流更加剧烈掺混,反向漩涡对被扭转,从而紊乱,使冷气无法抬升,所以提高了冷却效率;由于开槽的作用,冷气在槽内进行充分扩散,相比圆柱孔使轴向冷却范围更大;根据涡量等值线的分析,由于K-H稳定性会改变主流和二次流的交界面的速度方向和大小,进而影响反向漩涡对的形成。     

漂浮式风力机Spar平台受迫振荡数值研究

为分析螺旋侧板在漂浮式风力机Spar平台运动时的抑涡效果,采用动网格技术,对低雷诺数下原型平台及附有螺旋侧板平台在均匀来流中横向受迫振荡进行数值模拟,分析其在不同振幅比、不同振荡频率比下的锁定范围、受力情况及尾涡结构的变化特性。研究表明:振幅比L=0.2时,附有螺旋侧板平台的锁定范围相比原型平台有所减小,振幅比增大到L=0.4时,原型平台锁定范围随之增加,附有螺旋侧板平台主要受自身强迫振荡控制,不再出现卡门涡街现象;振幅比L=0.2、0.4时,2种平台尾涡均为"2S"结构,相同频率比下,附有螺旋侧板平台尾涡发放更为缓慢,说明螺旋侧板有一定抑涡效果;随频率比增大,2种平台升力系数的相位差减小,其与平台位移曲线之间的相位也发生改变,同时,振幅比也对平台升力系数曲线与位移曲线之间的相位产生影响。     

Numerical simulation of turbulent fluid flow and heat transfer characteristics of heated blocks in the channel with an oscillating cylinder

In this study, numerical simulations have been carried out to investigate the influence of transient flow field structures, and the heat transfer characteristics of heated blocks in the channel with a transversely oscillating cylinder. To solve the interaction problems between liquid and solid interface in the simulations, a Galerkin finite element formulation with Arbitrary Lagrangian–Eulerian method (ALE) is adopted.The main parameters in the study are Reynolds numbers (Re = 800–8000), dimensionless oscillating frequencies (F = 0.1–0.4), dimensionless amplitudes (L = 0.05–0.4). The results of numerical simulations show that the oscillating cylinder induces the flow vibration. This phenomenon disturbs the flow and thermal fields in the channel flow, and the heat transfer rate in the channel would be enhanced. Furthermore, the resonance effect of channel flow and oscillating cylinder can be observed as the oscillating frequency of the cylinder approach to the vortex shedding frequency. Due to the phenomenon of resonance in the channel flow, the heat transfer rate is enhanced more remarkably. In the studied ranges, the results show that the optimum dimensionless cylinder oscillating frequency and dimensionless amplitude value are 0.21 and 0.1 and that the heat transfer from heated blocks is enhanced as the oscillating frequency of the cylinder is in a lock-in region.     

重型柴油机湿式缸套穴蚀损伤差异的数值模拟研究

本文针对某款重型柴油机在爆压提升前、后出现的穴蚀差异,提出了一种综合缸套振动变形与冷却液空化的耦合建模方法。首先基于活塞-缸套瞬态动力学模型,获取了缸套主副推力侧在活塞侧击作用下的动态响应,并通过台架试验进行了校验。然后,将仿真的振动信号以动网格形式输入流场,研究了缸套振动激励下两款柴油机不同水腔区域的空化波动特性,并结合实验与数值模拟解析了高爆压柴油机缸套穴蚀显著的主要原因。结果表明,缸套在活塞侧击作用下的振动响应与其约束模态有关,流场的空化强度与缸套振动幅值并非线性相关,而是与缸套的振动频率和模态振型存在耦合相关关系。这些研究成果为缸套穴蚀倾向的预测研究提供了新的思路与方法。     

基于SPOD方法的压气机转子叶顶区域非定常流动分析

为了研究叶顶区域非定常流动特性,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor37在多工况下进行了三维非定常数值模拟,采用谱本征正交分解（Spectral Proper Orthogonal Decomposition,SPOD）方法从叶顶区域流场中提取出时空耦合的单频相干结构进行分析。研究结果表明：相比于常规分析方法,SPOD方法能够高效地从非定常流场中识别出流动特征,有助于揭示叶顶区域流动规律;在“小流量”工况下叶顶区域流动呈现出强的非定常性,且随着质量流率的减小叶顶区域非定常流动增强、波动范围增加、波动频率呈现出“阶跃式”下降;造成叶顶区域流场非定常周期性波动的主要原因是叶顶间隙泄漏涡破碎区的扰动以及叶顶间隙泄漏涡破碎后与主流相互作用所形成的叶尖二次涡的波动。     

可变滚流GDI发动机缸内气体流动特性模拟研究

在一台可变滚流比直喷汽油机(GDI)上对不同滚流强度下缸内冷态湍流流场进行了数值模拟研究,并通过PIV结果进行了实验验证。研究结果表明:进气翻板关闭将显著提高缸内滚流强度并产生较强的湍流,尤其在气门升程最大时刻,其滚流比约为翻板开启时的5倍,湍动能为后者的4倍左右;缸内流场在高滚流比工况时较早地形成单一大尺度涡,同时涡心更明显,流场更加规则,流速相对较高,在进气下止点时平均流速为20m/s;在压缩过程中,高滚流比工况湍流的黏性耗散较大,湍动能衰减较快;但在压缩末期缸内湍动能较低滚流比工况高,同时分布更加均匀。     

MHD and Thermal Flow Between Isothermal Vertical Concentric Cylinders with the Rotation of the Inner Cylinder

A numerical analysis is performed to study the fully developed laminar flow of an electrically conducting liquid metal between two concentric cylinders in the presence of an external transverse magnetic field. The outer cylinder is constant, and the inner cylinder is constant or is rotating at a constant angular velocity about its axis. The cylinders are maintained at uniform temperatures. The temperature difference between the walls creates buoyancy force, due to the density variations. The CVP numerical variational method is used for the study. The obtained results are compared for various angular velocities, Reynolds, Grashof, Prandtl, and Hartmann numbers.