均匀流场中串列双圆柱水动力特性的数值实验研究

采用计算流体软件CFX-5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了二维不可压缩均匀流中孤立圆柱及串列双圆柱的水动力特性.使用非结构化网格六面体单元和有限体积法对二维N-S方程进行求解.数值实验着重研究了高雷诺数时串列双圆柱在不同间距比时的压力分布、阻力、升力及St数随Re数的变化趋势.稳态力及St数的数值计算结果与实验结果吻合较好.     

合成射流对串列双圆柱受力特性及流场特性影响的数值模拟

合成射流能够通过改变单个圆柱尾部的旋涡脱落模态有效抑制其涡致振动,但对多圆柱结构的控制效果尚待研究。采用数值模拟研究了对称布置在上游圆柱尾部的水平合成射流对串列双圆柱的受力特性和尾流特性的影响。在研究中,来流的雷诺数恒定为150,合成射流的位置角度为45°,2个圆柱中心之间的间距比为2～10。研究结果表明,水平合成射流能够同时降低上、下游圆柱的升、阻力系数,但过大的合成射流动量系数反而会导致上、下游圆柱的阻力系数均大于无合成射流控制情况下的值。当动量系数为2和4时,上游圆柱的尾迹完全由水平合成射流主导,变得完全对称;但下游圆柱的尾部始终存在交替脱落的旋涡。     

水下轴向串列双圆柱体带空泡绕流研究

基于多相流理论,利用Fluent6.3对水下轴向串列双圆柱体带空泡绕流进行了数值模拟,分析了空泡形态和阻力特性与其结构参数的关系.结果表明:串列双圆柱体与单圆柱体相比,阻力系数降低;后圆柱体所受总阻力减小至几乎为零,前圆柱体承受了几乎全部的阻力;两圆柱体的间距和前端圆柱体的长度只影响超空泡的形成,前端圆柱体直径是影响阻力系数的主要因素.     

不同排列双圆柱气液两相绕流数值模拟

在一定的来流速度下,采用有限容积法计算了不同含气率、不同来流速度与双圆柱圆心连线角度情况下,整个流场的变化.夹角选取为α=90°(并列)、60°、45°、30°、0°(串列).结果表明:当α=90°(并列)时,两圆柱后产生稳定的同步反相旋涡脱落.随着夹角的减小,两柱之间产生了强大的排斥力,上游圆柱振动受到抑制,尾涡的长...     

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。     

椭圆柱绕流尾迹的PIV测量及DMD分析

为了研究椭圆柱绕流尾迹的流动特性,利用粒子图像测速技术(PIV)对长短轴之比AR=0.42的椭圆柱在雷诺数Re=3 493,4 657,5 822三种流动工况进行了实验研究,得到了相应的尾流区瞬态速度矢量场和涡量场,并通过频谱分析得到旋涡脱落频率。结果显示:随着雷诺数的增大,椭圆柱尾流区域在竖直方向上的影响范围减小,近尾流区内旋涡形成区域缩短,旋涡脱落频率增加。同时采用动力学模态分解(DMD)方法对实验获得的速度场进行模态分解,提取了椭圆柱尾迹流场的相干结构及各个模态的频率和增长率信息。结果表明:低阶模态包含了原始流场的主要流场结构,以及与旋涡周期性脱落运动相关的主要模态。随着模态阶数的增加,衰减速度逐渐增大,涡尺度逐渐变小,并向竖直方向进行扩散。     

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.     

基于系统响应图形的组合降阶模型模态提取

文章针对大系统模型降阶问题,提出了基于低阶组合模型的降阶方法。充分利用系统响应图形所表征大系统的宏观性和特殊性,把响应曲线模态分解为平滑模态和振荡模态,降阶模型结构为2种模态模型的线性组合。针对降阶模型模态提取关键问题,提出基于EMMD技术的提取方法。采用四阶复杂系统模型进行降阶验证,结果表明只需采用2个二阶模型的线性组合,即可达到相对误差为-0.0207的效果。该方法可以应用到采用纯数学方法降阶效果不理想的大系统降阶问题。     

基于最优特征的改进经验模态分解方法

针对经验模态分解(EMD)过程中存在的模态混叠等问题,提出了一种基于最优特征的自适应白噪声平均总体经验模态分解方法。该方法采用基于边界局部均值延拓的方法抑制端点效应问题,同时,在经验模态分解的每个阶段自适应地添加有限次白噪声,保证在平均次数相对少的情况下,通过计算唯一残余分量来获取信号的固有模态函数,从而避免了模态混叠问题的产生。通过分析仿真信号和实测信号,证明了该方法对模态混叠现象有一定的抑制作用,同时可有效避免端点效应问题的产生。     

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.     

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.     

黏性非定常圆柱绕流的升阻力研究

对于单圆柱绕流问题，以前的分块耦合法一般将整个流场区域划分为八个子区域，同时每一子块的内部拟边界与相邻块重叠一层网格，且节点数一致，以便实现数据传递．这种分块方法紧贴圆柱面上也会有拟边界点，所以不利于以后的动网格计算，使用新的分块耦合求解方法来数值模拟单圆柱以及不同间距下的串列双圆柱绕流情况，克服了过去分块方法造成的边界附近的数值奇性问题，并将该方法扩展用于串列双圆柱绕流的数值模拟，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响，为进一步研究涡致振动提供了依据，使用壁面涡量积分法计算升阻力系列化脉动，精确计算出了脉动周期和幅值，计算结果与实验数据符合较好。     

横掠并列双方柱强制对流换热的频谱分析

应用大涡模拟与二阶全展开ETG有限元离散格式相结合的方法对横掠并列双方柱强制对流换热进行了数值模拟,研究了间距比为1．5的情况下横掠并列双方柱强制对流换热的速度场及温度场．并根据长时程的模拟结果对温度场参数进行了频谱分析．结果表明：横掠并列双方柱强制对流换热问题的温度场参数的时域过程虽然不对称,但频域过程基本上是对称的．     

低雷诺数中等间距串列双方柱涡激振动的数值模拟

为研究典型间距比串列双方柱的涡激振动特性及其耦合机制,对雷诺数为150、柱心间距比分别为2.0和4.0的串列双方柱涡激振动进行了数值模拟,探讨了方柱振动响应随来流折减速度的变化规律,以及周围流场的流态与其演变过程,重点分析了下游方柱的能量输入机制.两方柱在不同柱心间距比下均以横流向振动为主,柱心间距比为2.0时,均在双涡脱流态内发生“弱锁定”（即方柱在振动锁定区的振动频率锁定值远小于1.0）,其横流向最大振幅皆出现在振动锁定区内且上游方柱振幅较大;在振动锁定区内,上游方柱平均阻力系数的激增导致平均柱心间距急剧减小,扰乱了下游方柱的气动升力对振动的能量输入,导致其尾流中的旋涡极不稳定.柱心间距比为4.0时,仅下游方柱在剪切层再附流态内发生“锁定”,两方柱的横流向最大振幅均出现在振动锁定区外,但上游方柱振幅远小于下游方柱,这是由于两方柱脱落的旋涡相互融合,使得气动升力对下游方柱的能量输入增强,横流向振幅和旋涡的横流向间距随之增大,造成下游方柱的尾流模态为双涡脱流态内的平行涡街模态.此外,下游方柱的横流向振幅在剪切层再附流态内也会出现较明显的极值,其对应的尾流模态均为剪切层再附流态内的平行涡街模态.     

湍流模型下双柱绕流升阻力系数数值模拟

本文使用流体软件FLUENT在RNG κ-ε湍流模型下.取雷诺数Re为20 000,间距比s/d等于1.75,模拟了双柱在串列、并列及两柱中心的连线与水流方向成30°和60°夹角错置这四种工况下的绕流升阻力系数.两圆柱阻力系数随夹角增大而增大,以并列双稳态对应的阻力系数最大.双柱串列时,下游圆柱阻力系数为负,两柱升力合力为0.双柱错置和并列时,两圆柱阻力系数都为正值,每个圆柱的升力合力都不为0,以并列发生双稳态流动时的升力合力最大.     

来流湍流度对圆柱绕流特性的影响

采用大涡模拟方法,在雷诺数为1.4?05时,研究来流湍流度对圆柱绕流特性的影响规律。研究表明：湍流度会使得自由剪切层间的相互作用更加剧烈,使得流场的三维特性更为强烈;同时加强了尾流区湍流能量的相互传递,减少能量的耗散,从而延长了回流区长度。随着回流长度的增加,圆柱背风面的平均风压系数得以增大,最终导致圆柱阻力系数随之减小。在尾流湍流得到增强的同时,尾流区会形成多尺度的湍流,从而促使漩涡形成区形成大涡量的漩涡,导致尾流区的漩涡呈现多频率的脱落。     

气动发动机缸内流场的动态特征

为了解压缩空气所存储的压力能在气动发动机工作过程中的能量分布情况，采用重整化群（RNG）k-ε模型对气动发动机的工作过程进行了数值仿真，再现了气动发动机缸内流场的演变过程.仿真得到了缸内气体压力能、湍动能和输出功等重要参数随曲轴旋转的分布情况以及排气损失、流动损失等占进入气缸总能量的比例.分析表明，在进气过程中进气道及其附近因气流强烈的湍流运动引起的流动损失以及排气所带走的能量是造成高压进气可用能损失的主要因素，当转速为1 500 r/min时，两者分别占进气可用能的15.39%和27.21%.对气动发动机的气缸及进气道结构进行优化设计，合理组织进气气流和缸内流场，可以减小流动损失和排气损失,从而提高发动机的动力性能和经济性能.     

三维错列双波浪锥柱绕流流动特性数值仿真

利用大涡模拟分析了雷诺数Re=3 900下间距比为L/Dm=4和5、交错角为α=0～15°的错列双波浪锥柱升阻力特性、流场结构及尾迹干涉效应。研究发现:对于特定间距比L/Dm=4、5,下游波浪锥柱脉动升力系数得到显著提高,在α=10°时较单直圆柱分别提升20.1倍和21.4倍,这主要是由上游波浪锥柱尾涡卷起撞击在下游波浪锥柱的一侧,下游波浪锥柱表面产生周期性的耦合力导致;受上游波浪锥柱两个自由端及其侧面来流与下游波浪柱作用产生的回流区的影响,下游波浪锥柱时均阻力系数显著降低。随着交错角增加,对于间距比L/Dm=4、5,下游波浪锥柱时均阻力系数逐渐接近上游柱,且在α=10°时,时均阻力系数较单圆柱分别降低34.9%和18.8%。涡量图展示了错列双波浪锥柱之间的完全撞击状态,侧面撞击状态和尾流干扰状态;且由于波浪锥柱表面形状的影响,使得流经波浪锥柱后方的尾涡存在明显分层现象,侧面撞击状态相对于其他两种状态能提供更大的脉动升力系数。本文研究结果可为风力俘能结构列阵的布局提供理论支持。