圆柱绕流中的湍流数值模拟方法

本文对圆柱绕流问题进行了简要介绍,并对圆柱绕流问题所采用的湍流数值模拟方法进行了分析和总结。     

圆柱高Re数绕流特性的大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱在Re=4.1×104下的绕流场,预测了圆柱表面的脉动压力平均值和RMS值,得到了与试验报道接近的阻力系数平均值和升力脉动RMS值,以及涡脱St数,表明了大涡模拟的有效性。揭示了圆柱涡脱的空间不同步和涡脱频率随时间的变化特征,以及涡脱能量的有限频率带宽分布;分析了圆柱表面θ=90°和θ=270°点脉动压力时程的统计特性,表明脉动压力的能量均集中在圆柱的漩涡脱落频率上。提出了基于θ=90°和θ=270°点脉动压力时程的互相关系数和RMS值,合理估算圆柱截面脉动升力RMS值的公式;基于圆柱表面脉动压力时程的相干性分析,揭示了圆柱升力和阻力产生的流动机理。     

圆柱绕流气动噪声数值分析

为了快速预测刚性圆柱绕流的气动噪声,研究了一种将离散涡方法(DVM)和涡声理论结合起来计算低马赫数、高雷诺数流场气动噪声的方法。首先用Oseen粘性涡模型改进了离散涡方法并模拟了圆柱绕流,分析结果与实际情况相符。根据流场计算的结果,应用涡声理论进一步计算了远场的声压。测点的总声压级与实验值及其他数值计算结果都比较吻合。最后绘制了声场的指向性特性曲线,表明圆柱绕流声场明显的偶极子特性。     

基于ADINA的二维双圆柱绕流的数值模拟研究

均匀来流流过二维圆柱是一个经典的流体力学问题,尤其是对于粘性流体,由于雷诺数的大小不同,在面对层流和紊流两种与众不同的流场时,流场流线运动的规律较为复杂,本文正是借助于ADINA软件中出色的流固耦合的仿真计算技术,对于流场中二维双圆柱绕流流场的变化进行了科学的数值模拟,并给出了不同环境条件下流场的变化情况,计算出了圆柱表面的一系列动力学参数。结果表明:尾流及圆柱表面的压力分布,其实验结果与现有结果较为吻合     

不同雷诺数下圆柱绕流气动噪声数值模拟

基于大涡模拟和声类比相结合的混合方法对不同雷诺数下二维圆柱绕流的远场气动噪声进行预测.预测值与试验数据吻合良好.根据预测结果分析圆柱绕流气动噪声的声场特性,研究流场振荡规律对远场噪声的影响和圆柱绕流气动噪声的辐射特性,并寻找降低圆柱绕流气动噪声的途径.结果表明:随着雷诺数的增加,远场各测量点的总声压级增大;声场的最大声...     

声波作用下的单圆柱绕流及传热特性数值研究

为了研究声波对单圆柱绕流流动和传热特性的影响,建立了流场、声场、对流传热多物理场耦合的二维数学模型,并利用有限元软件COMSOL进行数值模拟。结果表明:(1)当频率f=50 Hz、声压级L_SP=123～149 d B时,斯特劳哈尔数Sr随声压级增大而减小,圆柱表面压力系数C_P随声压级增大而增大;(2) L_SP=143 d B、f=20～80 Hz时,斯特劳哈尔数Sr、压力系数C_P均随频率f增大而增大;(3)对比f=50 Hz、L_SP=143 d B声波作用与无声波作用的情况,阻力系数C_DF和升力系数C_DL都呈周期性变化,但有声波作用时振幅增大;(4)声波作用会促进圆柱表面热量传递,但当L_SP>143 d B,圆柱表面局部努塞尔数Nu_θ开始减小。该研究结果为强化圆柱绕流传热提供了理论研究基础。     

直径30cm圆柱的气动力参数和绕流特性研究

为研究光滑圆柱的气动力系数和绕流特性,在均匀流中进行不同风速下的测压风洞试验,试验获得了阻力系数、升力系数、表面风压分布、风压相关性系数、斯托罗哈数等随雷诺数的变化特征,并将试验结果与以往结果进行比较。研究表明:升力系数的脉动值大于阻力系数的脉动值,说明涡脱造成的横风向激励比顺风向紊流激励剧烈;雷诺数位于临界区域时,圆柱表面风压分布呈现出对称-不对称-对称的变化过程,反映了由层流分离转化为湍流分离的全过程;在雷诺数为352000时呈现一侧为层流分离、另一侧为湍流分离的临界流态,风压呈现出左右不对称的单边泡形式;获得层流分离和湍流分离时的表面风压相关性分布特征,层流分离时圆柱同一侧的风压测点均呈较强的正相关,而湍流分离时在分离点前的区域相关性较强,分离点之后的区域相关性较弱;层流分离的升力系数谱有显著的峰值,表明尾流是规则的漩涡脱落,而湍流分离的升力系数谱没有明显峰值,表明尾流是随机的漩涡脱落。     

新月形薄覆冰导线气动力特性数值模拟研究EI北大核心CSCD

通过CFD方法对亚临界状态下的圆柱绕流开展了数值模拟,将不同计算工况下的平均风压、平均风速、脉动风速、斯托劳哈数(St)等结果与试验结果进行对比,研究了近壁面网格及展向长度对结果的影响,比较了LES与k-ωSST湍流模型的计算结果。在此基础上,针对覆冰导线分别建立二维与三维计算模型,计算了新月形薄覆冰单导线的气动三分力系数,并与试验结果进行对比。利用覆冰导线表面风压分布特性对空气动力学参数随攻角变化出现的尖峰现象进行了分析。结果表明,二维与三维覆冰导线模型存在较大区别,采用三维计算模型是必要的,展向长度取3倍导线直径能取得较好的计算结果。     

圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究

采用粒子图像测速技术对630、800及950三种雷诺数条件下的圆柱绕流场进行了实验,给出了圆柱下游沿流动方向4倍圆柱直径和垂直方向3倍圆柱直径区域内的速度场、涡量场以及涡脱落现象的时空演化规律.结果表明:圆柱尾流区域位于垂直方向约1.5~2.5倍圆柱直径范围内,随着雷诺数增大,这一范围呈现缩小趋势,而主流对涡的拉伸和输运能力有所增强;涡脱落频率随雷诺数增大而增大,小雷诺数时能够较为完整地捕捉到涡生成、脱落、发展和耗散过程,由于PIV采集频率的限制,大雷诺数条件下涡脱落整个过程不易被完整捕捉到.     

圆柱绕流噪声预报的流场与声场模拟方法对比研究

以三维圆柱为研究对象,使用Lighthill声类比法研究其绕流发声问题。第一步进行流场计算,分别用大涡模拟(LES)、脱体涡模拟(DES)和瞬态雷诺平均法(URANS)模拟声源区流场,通过对比流场压力和涡量等参数,据此选取合适的流场仿真方法;第二步用基于Lighthill方程FW-H积分法和边界元法预报远场直发声,通过和Revell试验结果比较,分析各种计算方法差别。研究表明:进行流场仿真时LES计算结果最好,IDDES法在保证计算精度条件下能有效减少流场网格数量,URANS法误差很大;进行辐射噪声预报时,FW-H积分法和边界元法基本相同。     

流体绕流不同方向振动圆柱换热特性数值分析

基于Fluent动网格及UDF编程技术对二维流场中振动圆柱的换热特性进行了研究,分析了来流速度及圆柱振动方向对其换热特性的影响。数值计算结果表明,相比于静止圆柱换热,当圆柱的最大振动速度远大于来流速度时,其振动强化传热效果显著;随着流速的增大,振动圆柱的强化传热效果降低,当流速为圆柱最大振动速度的4倍时,圆柱传热效果仅增强1.2%。另外,对相等流速下的圆柱沿不同方向的振动换热特性研究表明,振动方向对圆柱强化换热的影响不显著。     

龙卷风冲击高层建筑气动力效应数值模拟

龙卷风是一种大型气旋流动,具有很强的破坏力,是抗风减灾工程中重点防范对象之一。现有龙卷风研究多集中于低矮建筑或输电线塔等结构,对作用于城市高层建筑结构的龙卷风流动特征及气动力响应还认识不清。该文采用大涡模拟开展了龙卷风数值风场模拟,与文献提供的龙卷风风洞实验结果进行了校核,获得了实验室尺度下龙卷风冲击高层建筑的风荷载特征和规律。进一步针对全尺寸条件下F2级龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场开展模拟,分析其流场特点和气动载荷响应特征,揭示了龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场差异和气动荷载产生机理。     

电磁体积力作用下的圆柱绕流实验研究

利用电介质溶液中圆柱体侧表面附近分布的电磁场产生电磁体积力,作用于流体边界层,从而控制圆柱绕流.电极与磁极交替分布的电磁场激活板包覆在圆柱体表面置于流动的电解质溶液中,产生的电磁力沿圆柱体表面分布,可以改变流体边界层结构.在流体边界层上电磁体积力的作用下,圆柱绕流分离点可以在前驻点和后驻点之间变动,产生不同的控制效果.调整电磁场的时空分布控制参数,电磁体积力能连续控制圆柱绕流、尾流涡街的形态,具有明显的消涡与增涡控制效应;具有较好的减震、减阻控制效果;具有制动控制效应.     

速度剪切流中圆柱体绕流特性的数值模拟

采用由速度梯度、圆柱半径以及圆柱中心平面上的来流平均速度定义的无量纲剪切参数β来描述速度剪切的强度。在雷诺数Re=60-1000范围内,运用三维直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)两种方法对速度剪切流中的圆柱体的绕流特性进行了数值模拟。研究了驻点、高速和低速两侧分离点、圆柱表面压力分布以及不稳定尾流结构随剪切参数的变化及其对雷诺数的依赖性,从而得到了剪切流中圆柱体的气动力以及脱落特性,并对其机理进行了详细探讨。     

方柱绕流的二维和三维数值模拟

为了深入研究方柱绕流中流动情况,详细分析方柱受力,通过采用标准k-ε模型和DES模型,运用有限体积法对单方柱绕流进行了数值模拟,着重研究了流场形态、升阻力系数变化曲线,给出了流场中方柱在不同雷诺数下受到的升力和阻力的变化情况.通过与前人的实验和数值结果比较,证明了DES计算模型对于三维钝体绕流计算是可行的.表明三维数值模拟优于二维数值模拟,且随着雷诺数的增加,CD的平均值增加而St数先增大再减小.     

基于ALE算法的空气冲击波绕流数值模拟研究

利用ALE算法和炸药爆轰产物的JWL状态方程 ,对空气冲击波绕过障碍物的环流现象进行了数值模拟 ,得到了在爆源周围有障碍物的爆炸场初始发展和环流的情况 ,分析了空气冲击波的绕流规律。研究结果表明 ,本研究方法可以很好地描述空气冲击波绕流场参量分布与变化规律 ,并且数值模拟结果与半经验公式的计算结果基本符合 ,但在爆源与障碍物的距离较小时 ,计算值偏大。     

燃气单钝体绕流流场特性的数值模拟研究

应用基于有限体积法的FLUENT6.1计算软件对管道中单钝体的燃气绕流现象进行了仿真研究,即对实现管道燃气流量计量的DN200mm新型宽量程流量计的流场进行了数值模拟,就燃气计量管道中漩涡发生体的漩涡脱落频率与实测数据进行了比较。结果表明,数值计算结果与实测结果具有很好的一致性,从而提出了在新型燃气流量计的研制中可以应用数值模拟方法来优化流量计结构设计的结论。     

高Re数圆柱绕流二维数值模拟的适用性分析

采用雷诺时均N-S方程(RANS)和SST 湍流模型,对外径0.12m的圆柱开展了二维数值模拟,计算的Re数范围为1.2×105 ~ 3.7×105。为保证计算结果的合理性,采用了一种新的计算域外形和网格分区,保证了在圆柱周围和尾迹的大范围内形成高质量的正交四边形单元。基于获得的不同网格尺度和时间步大小的圆柱气动力系数时程、平均值和均方根值,以及漩涡脱落的Strouhal (St)数,开展了网格尺度和时间步长无关性检查,确定了合理的数值模拟参数。然后计算了不同Re数下圆柱的阻力系数平均值和St数。通过与相关文献的研究结果对比,本文认为采用二维RANS模型难以合理预测圆柱的气动力和涡脱特性。     

串列双圆柱静止绕流的二维数值仿真分析

利用CFX软件建立二维流场模型,采用有限体积法针对串列双圆柱的静止绕流现象进行了数值模拟计算。首先计算了雷诺数Re=200,不同间距时上下游圆柱的斯托罗哈数,并与参考文献的计算结果进行了对比,证明了该文计算的可靠性。然后分析了不同间距时上下游圆柱的升力系数和阻力系数的变化特点,得出了Re=200时双圆柱绕流的临界间距在3.375D~3.5D之间。最后通过对不同间距下流场变化的研究得出:上下游圆柱的间距小于临界间距时,上游圆柱不存在旋涡脱落;超过临界间距时,上游圆柱出现旋涡脱落;下游圆柱始终存在旋涡脱落现象。研究成果能够为计算流体力学和空气动力学技术的发展提供理论基础。     

高雷诺数下单圆柱绕流的DES三维数值模拟

采用Spalart-Allmaras基的DES模型对不同雷诺数下单圆柱绕流的湍流流场进行了三维数值模拟,取雷诺数Re=2×104,1×105,3×105和1×106,数值模拟研究分析了流场形态,给出了阻力系数及升阻力频谱,并与前人的实验和其他方法模拟的结果进行了对比.结果显示,它们与实验数据一致且图形的三维特性明显,这也验证了DES方法在高雷诺数时在圆柱绕流模拟方面的准确性.