水下航行体壁面脉动压力的大涡模拟研究

湍流壁面脉动压力是重要的水动力噪声源,开展相应的计算与试验研究十分必要。作者在大涡模拟的理论框架下,结合精细网格生成技术,对于水下航行体的壁面脉动压力进行了数值预报。首先,详细描述了所使用的大涡模拟方程与动态Smagorinsky亚格子模型,介绍了离散求解的数值方法。其次,利用大涡模拟计算了SUBOFF模型主体与附体上的表面压力分布,并利用试验结果进行了验证,分析了大涡模拟方法计算定常流动的可靠性。再次,计算了平板的湍流壁面脉动压力,并与CSSRC的消音风洞试验结果进行了对比,分析了大涡模拟方法计算非定常流动的可靠性。最后,对于水下航行体模型主体上三个位置与围壳上四个位置处的壁面脉动压力进行了大涡模拟,得到了脉动压力1/3OCT频谱,分析了频谱高频与低频特性以及衰减特性,并用试验结果进行了验证。研究表明,本文建立的水下航行体壁面脉动压力的数值预报方法是可靠的。     

单向流作用下近壁面圆柱的流向振动

在单向流水槽中对近壁面圆柱体的流向振动进行了实验模拟。分析了圆柱流向振动位移时程曲线,探讨了圆柱振动频率随水流速度的变化特征。研究了圆柱振动幅值和频率的变化特性,结合圆柱尾迹涡的变化规律,分析了流向振动的起因。实验结果表明:随着流速的增加,圆柱流向振动经历了发生、发展和消失的变化过程,振动频率呈现出缓慢增长的趋势;在流向振动触发初期和后期衰退时,流向振动频率存在多值现象,频谱中呈现多个谱峰;圆柱流向振动所对应的约减速度范围明显小于横向涡激振动所对应的范围。     

跌坎突扩型消力池脉动压力大涡模拟研究

针对跌坎突扩型消力池底板脉动压力分布较为复杂等问题,基于FLOW-3D软件,采用大涡模型和tru VOF法,模拟得出消力池底板的时均压强、脉动压强均方根、功率谱密度等时均量和脉动量特性,并将模拟结果与试验结果进行对比分析.结果表明:大涡模型能够较好模拟跌坎突扩型消力池底板的水流脉动压力,消力池内水跃区脉动压力主要受低频...     

平板边界层转捩中发卡涡演化与流动稳定性的关系

该文通过对平板边界层转捩的直接数值模拟,研究了转捩过程中涡发展到发卡涡以及环状涡链结构的生成、演化直至破碎的全过程。该模拟结果丰富了对发卡涡演化的认识,并符合已有的实验观察现象及对发卡涡演化的一般认识。研究结果表明,流向平均脉动动能存在过饱和现象,该现象可以用环状涡链开始破碎及次破碎使流向脉动逐渐转化为展向和法向的脉动来解释。同时发现,发卡涡的演化情况与壁面摩擦系数、平均脉动动能及流动稳定性分析得到的中性曲线范围的大小之间有着明显的对应关系,可以通过流场中壁面摩擦系数、平均脉动动能的变化及流动稳定性分析的结果预测转捩过程中发卡涡的演化状态。     

虹吸式出水管虹吸形成过程的壁面压力及脉动特性

通过物理模型试验测量虹吸式出水管在虹吸形成过程中典型断面的压力过程线，采用邻域平均法提取脉动压力数据，采用统计特征和短时傅里叶变换信号处理方法分析时均和脉动压力特征。结果表明：管壁时均压力沿水流方向先减小后增大，驼峰段的上壁面时均压力随着流量增大逐渐大于下壁面；虹吸形成过程中，压力脉动呈正偏态分布，均方差沿水流方向不断降低；压力脉动主要由水泵旋转和水气运动引起，频率在0～30 Hz之间，主频与水泵转频相近；相比虹吸稳定流阶段，水力驱气阶段存在的气囊压缩和释放过程使得压力脉动频率及幅值上升，接近泵站系统自振频率，容易产生结构振动，需要通过设计和运行的优化减少该阶段的持续时间。     

沟槽张角对流体减阻机理的数值模拟研究

为了研究边界层涡结构对沟槽壁面摩擦阻力的影响,该文利用FLUENT软件对湍流状态下沟槽壁面进行数值模拟计算,分析了90°、120°和150°三种不同张角下沟槽壁面的减阻效果,获得了不同张角的沟槽结构对减阻效果的影响规律。结果表明:沟槽内形成的旋涡结构可以有效减小沟槽布置区域法向速度梯度,减弱流层间剪切作用,增加条带结构稳定性,湍流猝发频率降低,从而使壁面摩擦阻力降低。当来流速度v=25 m/s,沟槽张角β=90°时,可取得最佳减阻效果。在沟槽结构布置区域,流向涡的涡头上扬角度变大,上扬和下扫强度减弱,有效减小了摩擦阻力;同时,沟槽结构改变近壁区速度分布,使流向涡密度减小,从而减小壁面摩擦阻力。     

二维T-S波在壁面局部喷吸边界层流中的演化

采用壁面设置局部法向速度模拟喷吸条件,数值计算获得稳定的三维边界层基本流的数值解。在此基础上,研究不稳定的二维扰动T-S波在空间演化过程的非线性问题;探讨边界层壁面局部无量纲喷吸速度0.004,0.000 6对二维T-S波非线性演化的影响及其对增长率的贡献。数值计算结果表明,边界层平均流剖面的改变促进了扰动波的快速增长,增强了流体运动的不稳定性,扩大了中性曲线的不稳定区域范围,不稳定的二维T-S波获得了更大的增长率;不稳定的二维扰动T-S波在非线性演化过程中,由于非线性相互作用不断增强,逐渐诱导激发出三维扰动速度及高次谐波,其三维扰动基本波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率相同;正、负相间流向涡及强剪切层已初步形成。     

壁面粗糙度突变对湍流边界层的影响

本文探讨了湍流在流动不同粗糙度的壁面时粗糙度突变对为点下游流动的影响，假定粗糙度突为引起的扰动小扰动，流动物理量的扰动值满足自似分布，本文分析了得到了描述突点下游流动特性的长度尺度，速度剖面，时均流速及摩阻流速的表达式，并通过实验对理论分析的理论进行了验证。     

雷诺数对近壁面圆柱绕流和壁湍流相互作用结构特性的影响

该文采用流动显示和PIV对近壁面放置圆柱的流场进行了精细测量,重点研究了不同雷诺数下近壁区圆柱绕流与壁湍流的相互作用规律、尺度演化规律及标度律特性.当雷诺数从10 600降至4 800时,波数能量级串标度行为呈现从-5/3至-1变化规律.而联合概率密度分析发现随雷诺数的下降,大尺度结构出现的概率降低,而雷诺数在5 60...     

类-1湍流边界层时平均壁面垂向速度普适解析律

湍流边界层普适统计规律的探索一直是湍流研究中的重要课题之一.该文在前人成功获得零压梯度平板湍流边界层流向速度普适规律的基础上,对壁面切应力仅为流向坐标函数的类-1湍流边界层,采用时-空间平均摩擦速度为尺度,根据壁面律研究中所获得的经验,设计构造了反映垂向速度边界层特征的指示函数(Indicator Function,I...     

壁面微结构流动控制技术的减阻机理研究

为了研究壁面微结构流动控制技术的减阻效应及其产生的原因,利用循环管路系统的方形管道进行了压降测定试验,并利用粒子成像测速仪测量了边界层内部结构和对应的参数。试验采用了沟槽和肋条两种不同类型的微结构壁面,每种形状的微结构各有3种不同的结构尺寸。试验研究结果表明:在一定的无量纲宽度s+范围内,6种不同的微结构壁面都具有减阻效果;减阻率随着s+的增大,呈现先增大后减小的趋势,其中沟槽壁面2的减阻效果最好,最大减阻率为9.90%;壁面微结构通过影响流场内部的涡结构、湍流脉动、雷诺切应力和平均流速等使得不同壁面微结构具有减阻效果。     

导墙动水压力特性研究

介绍三峡水利枢纽溢流坝段与厂房坝段之间导墙的动水压力试验研究情况。 给出了不同库水位泄洪工况下, 水流作用在导墙上的时均压强、脉动压强及他们的分布规律、脉动频率的统计特性等试验成果。 认为: 时均压力的分布基本符合静水压力分布的规律; 脉动压力的幅值在漩滚区较大, 沿水深的分布是近表和近较小,中间较大; 导墙边壁上水流的压力脉动是一种窄带低频脉动。     

角区湍流场的实验测量和数值模拟

本文首先对角区湍流场作了详尽的测量，包括平板壁面和翼型表面上的压力分布，角区流场在来流，绕流以及尾流共十个横截面上的平均速度，脉动速度，湍动能和Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力，然后应用拟压缩性方法，在曲线坐标系下求解Ｎ－Ｓ方程选取了Ｂ－Ｌ湍流模式，对角区湍流场进行数值模拟。最后把计算结果与实验结果进行了对比，二者符合较好。     

前缘倒圆角方柱绕流的大涡模拟

该文基于FLUENT软件采用大涡模拟方法对前缘倒圆角方柱绕流的气动特性进行数值研究。首先分析网格质量对二维大涡模拟结果准确度的影响,得出适用于钝体绕流大涡模拟计算的网格标准;然后对比二维和三维大涡模拟计算的升阻力系数、脱落涡频率、回流区长度和瞬态流场旋涡结构,以及尾迹速度分布,并与实验结果对比。最后得到二维和三维大涡模拟方法在钝体绕流非定常特性研究中的适用性。结果表明:二维和三维大涡模拟均能捕捉流场中大尺度旋涡结构,预测的脱落涡频率与实验偏差均小于0.4%;三维大涡模拟结果相比于二维大涡模拟与实验结果更加吻合。     

光滑及粗糙壁面明渠湍流流动数值模拟

利用FLUENT软件对光滑及粗糙壁面明渠湍流流动进行数值模拟,分析了断面分区结构及流速分布、湍动强度分布、壁面切应力及摩阻流速。数值离散方法为有限体积法,自由表面的处理采用简单的"刚盖"假定,固壁面处理采用壁面函数法。将数值计算结果与物理模型试验结果作了比较,发现两者吻合得较好,表明FLUENT软件在计算明渠湍流过程中能够得到很好的模拟效果。     

螺旋通道磁流体推进器壁面脉动压力的数值研究

该文采用电势法和大涡模拟理论数值分析了2 m水柱压升螺旋通道磁流体推进器设计工况的全三维流场和脉动压力,探讨了电磁场作用下螺旋通道内部压力脉动的位置、强度、频率特征、产生原因以及减弱方法。数值分析结果表明:(1)电磁场作用下,螺旋通道的压力脉动沿周向基本均匀分布,沿轴向逐渐增大,整流段的压力脉动大于导流段;(2)螺旋叶片、整流器叶片以及外电极和整流器外管壁是产生压力脉动的主要区域;(3)优化整流器的几何结构、特别是叶片的型线,改善整流段及相邻螺旋叶片出口的流场分布,可降低这些区域的脉动压力,从而改进螺旋通道磁流体推进器的振动噪声性能。     

湍流边界层流向-展向平面中发卡涡的涡迹特征

研究湍流边界层精细流动结构特征,有助于建立流动结构特征与壁面摩阻、流噪声之间的关联,从而为湍流边界层减阻降噪机理的深层次研究奠定基础。该文应用PIV(粒子图像测速)技术,对平板湍流边界层中发卡涡在流向-展向平面的涡迹特征进行研究。利用PIV瞬时速度场,捕捉到明显的低速条带,通过统计分析获得对数层范围低速条带间距随壁面法向距离的变化以及雷诺数的影响规律。同时,通过涡识别准则,提取在流向-展向平面内长低速条带两侧的反向漩涡带,揭示了发卡涡包与长低速条带的内在关系。此外,还研究了流向-展向平面发卡涡涡腿间距随壁面法向距离的变化规律以及雷诺数的影响。     

基于模态分析法的水下高速航行体流激振动声辐射特性研究

为了评估水下高速航行体的低频水动力噪声特性，该文基于模态分析法，将航行体简化为镶嵌在无限长刚性圆柱障板的圆柱壳模型，以流动激励力湍流脉动压力波数-频率谱作为输入，建立水下航行体流激结构振动声辐射计算方法，并通过回转体实验进行验证。研究结果表明：3～9 m/s流速范围内，80 Hz以上总声级偏差小于2 dB，计算结果与试验结果基本一致。该研究工作为水下航行体低频水动力噪声评估提供了一种理论方法。     

基于IB-LBM的圆柱尾流与壁面湍流之间的涡旋相互作用

该文使用IB-LBM研究了二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用。在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡。边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构。尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失。最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层。在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k~(-3),其表示涡度拟能向小尺度移动;在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k~(-5/3),这意味着能量向大尺度移动。     

二维叶栅通道直接数值模拟涡系分析

该文基于有限体积法对NACA0065叶栅内二维不可压缩流动进行直接数值模拟,得到不同雷诺数下叶栅通道内的瞬时涡系结构和时均物理量分布,进而表明了涡系结构对叶片气动系数的影响。在低雷诺数情况下,尾迹旋涡的周期性脱落频率导致升阻系数的周期性变化。利用傅立叶变换,气动系数谱中的主频与涡脱落频率精准对应,进一步分析表明次频是由脱落周期内相邻区域的不同涡核低压区交替出现而导致。在高雷诺数下,气动力系数频谱中出现了更多的高频谐波。此外,该文利用Liutex理论中的R-S分解和涡量输运方程解释了NACA0065叶片表面剪切层产生旋涡的机理,并研究了强剪切区和弱剪切区处的涡核特性。该研究结果可使工程界对NACA0065叶栅中的相应旋涡结构及其相互作用有了更深入的物理理解。