防护林带：湍流的数学模型与计算机模拟

虽然防护林用于减小风速、控制热量和水汽传递及污染物扩散、 改善气候与环境、增加作物产量等已经有几百年了, 但直到近几十年, 人们才开始系统地研究防护林空气动力学的遮蔽机制.在本综述中,我 们考察了绕防护林带的流动与湍流控制机制,最新的模型与数值模拟 研究情况;通过数值模拟与实验数据的比较,来了解防护林带结构与防 风效果之间的关系;讨论数值分析如何及为什么能够得到所需要的结果. 本文将从多孔隙防护林带流动基本方程组的推导开始,讨论数值模型及 模拟过程,对附体与分离流动进行预测;分析了遮蔽机制与动量交换;对 风向、防护林密度、宽度和三维性对流动与湍流的影响作了系统的论 述.还对热流和土壤水分蒸发的新模型及数值模拟作了简述.最后,我们 对网络工作站、群和高性能分布式并行计算机及其对防护林带模型预 报能力的提高作了讨论.     

圆柱尾流的绝对不稳定性

在水槽和低湍流度水洞中进行亚临界雷诺数圆柱尾流稳定性实验来流速度由零缓慢增长到一定值后保持不变,稳定足够长时间后,在流向某站位处给流场一个有限幅值的脉冲扰动,测量扰动前后相当长时间内下游尾流速度信号的变化情况当雷诺数处于高亚临界值时,未受扰动的尾流速度脉动很小,处于定常状态,但对近尾流进行脉冲扰动后,能够激发出不衰减的旋涡脱落发现扰动位置限制在圆柱后一定范围内才能有效,再往下游则扰动随时间衰减．说明圆柱近尾流中存在一个绝对不稳定区,在该区域内的扰动将在当地放大,经过复杂的演化,最后形成不衰减的旋涡脱落.     

隔离板对流向振荡圆柱尾流旋涡脱落的抑制

用隔离板对直径为D, 沿流向振荡的圆柱后涡脱落进行抑制. 隔离板放于圆柱尾流中心线上,控制参数包括隔离板长度L/D以及隔离板前缘到柱体振荡中心的距离G/D. 实验的雷诺数范围Re=V_∞D/v=1.01×10⁴～1.69×10⁴,柱体折减振频范围f_eD/V_∞=0～0.03, 柱体振幅固定为A/D=0.2. 风洞烟线显示和热线测量结果表明:当 G/D位于一个有效区域内时,可有效抑制振荡柱体尾流的旋涡脱落. 该有效区的大小随着隔离板板长的增大而增大, 随着Re数和圆柱振荡频率的增大而减小.     

钝体尾流控制机理及方法研究进展

首先从涡脱落生成理论出发对钝体尾流控制方法进行了分类,并简单介绍了国内尾流控制研究情况. 之后介绍了我们用窄条或小方柱取代小圆柱后,对Strykowsky和Sreenivasan 控制方法的改进及其在高雷诺数下对圆柱和方柱尾流涡脱落的有效抑制情况, 并探讨了控制件钝度对抑制效果的影响.第3部分用实验数据对各个涡脱落生成模型做了分析与检验, 指出控制件方法的机理与改变钝体分离位置、减小钝体背压吸力、改变流动的展向相关性、 防止钝体两侧剪切层相互作用等无关,而与钝体近尾流速度剖面的局部修正及其稳定性的改变有关. 最后简单介绍了控制件方法今后研究工作展望及其工程应用前景.     

单窄条控制件对横向振荡柱体尾流2P模式旋涡脱落的改变

横向强迫振荡柱体尾流控制是柱体涡激振动控制的基础,在海洋、土木等工程中具有重要意义.横向强迫振荡柱体尾流中存在一种锁频旋涡脱落模式,即在一个振荡周期内柱体上、下侧各脱落旋转方向相反的一对涡,称为2P模式.本文将相对宽度b/D=0.32的窄条控制件置于横向强迫振荡柱体下游,对振幅比A/D=1.25,无量纲振频f_eD/V_∞=0.22,雷诺数Re=1 200的2P模式旋涡脱落进行干扰,并通过改变控制件位置,研究旋涡的变化规律.采用二维大涡模拟和实验验证方法进行研究,在控制件位置范围0.8 X/D 3.2,0.4 Y/D 3.2内,得到了2P,2S,P+S和另外6种新发现的旋涡脱落模式,并对各模式旋涡的形成过程作了详细描述.在控制件位置平面上给出了各旋涡模式的存在区域,画出了旋涡脱落强度的等值线图,并发现在一个相当大的区域内,旋涡脱落强度可减小一半以上,尾流变窄.发现柱体大幅振荡引起的横向剪切流在旋涡生成中起关键作用.探讨了控制件对横向剪切流的影响,分析了控制件在每种旋涡模式形成中的作用机制.     

薄矩形柱绕流旋涡脱落的抑制

用窄条形控制件对截面宽度为B、厚度为H的矩形柱体绕流的旋涡脱落进行抑制.实验在风洞中进行, 实验范围为B/H=2.0~5.0,Re=V_∞H/\nu=3.75× 103~1.05×104. 矩形柱的宽边B与来流平行, 窄条与柱体等长, 且两者轴线相互平行放置. 窄条宽度为b/H=0.5, 窄条厚度远小于其宽度; 窄条位置可变, 但窄条表面保持与来流垂直. 尾流脉动速度测量和流动显示结果表明: 当窄条位于一个有效区内时, 矩形柱体两侧的旋涡脱落被抑制; 而当窄条位于一个单侧有效区内时, 矩形体一侧的旋涡脱落被抑制, 在另一侧旋涡脱落却仍存在. 有效区范围从矩形体的上游某点一直延续到矩形体的下游某点. 单侧有效区将整个有效区围在其中. 有效区和单侧有效区范围随着B/H的增大而增大, 但随着Re的增大而减小.      

单窄条控制件对横向振荡柱体尾流 2P模式 旋涡脱落的改变

横向强迫振荡柱体尾流控制是柱体涡激振动控制的基础,在海洋、土木等工程中具有重要意义. 横向强迫振荡柱体尾流中存在一种锁频旋涡脱落模式,即在一个振荡周期内柱体上、下侧各脱落旋转方向相反的一对涡,称为2P模式. 本文将相对宽度b/D=0.32的窄条控制件置于横向强迫振荡柱体下游,对振幅比A/D=1.25, 无量纲振频f_e D/V_∞=0.22,雷诺数Re=1 200的2P模式旋涡脱落进行干扰,并通过改变控制件位置,研究旋涡的变化规律. 采用二维大涡模拟和实验验证方法进行研究,在控制件位置范围0.8≤X/D≤3.2, 0.4≤Y/D≤3.2内,得到了2P, 2S, P+S和另外6种新发现的旋涡脱落模式,并对各模式旋涡的形成过程作了详细描述. 在控制件位置平面上给出了各旋涡模式的存在区域,画出了旋涡脱落强度的等值线图,并发现在一个相当大的区域内,旋涡脱落强 度可减小一半以上,尾流变窄. 发现柱体大幅振荡引起的横向剪切流在旋涡生成中起关键作用. 探讨了控制件对横向剪切流的影响,分析了控制件在每种旋涡模式形成中的作用机制.      

较高Re数圆柱尾流的控制

引入一个窄条作为控制件，在Re=3.0×10 3~2.0×10 4范围内对圆柱尾流进行控制实验。窄条长度与柱体长度相同,厚 度为柱体直径的 0.015~0.025倍,宽度为柱体直径的0.18倍. 窄条的两个长边 与柱中心轴平行, 而且三者共面. 控制参数为窄条位置, 可由间距(窄条到柱轴)比λ/(0.5D)和风向角β (窄 条面与来流的夹角)确定. 采用流动显示和热线测量方法,对控制和未控制尾流的流动状态, 平均速度分布和脉动速度情况,以及作用于柱体和控制件的总阻力进行了研究和比较. 研究结果证明, 当窄条位于柱体尾流中一定区域内时, 可有效抑制柱体两侧的旋涡脱落.有效控制后的尾流湍流度也相应减小. 在不同Re数下,找出了有效抑制旋涡脱落的窄条位置区域, 并用动量积分估计了作用于柱体和窄条上的总阻力与光圆柱阻力的比值及其随风向角的变 化. 对λ/(0.5D)=2.9情况,得到了减阻的风向角区域(β=0°~40°与180°附近)以及最大减阻率32%.以上事实表明，在近尾流局部区域施加小的干扰,可改变较高Re数圆柱尾流的整体性质.     

风嘴对旋转振荡板旋涡脱落的控制

5∶1矩形柱体被认为是通用桥面几何形状的代表,其简化模型可以用来进行风振控制的研究。风嘴作为一种常用的流动控制装置,能起到减阻和增加矩形板气动稳定性的效果,但控制装置对强迫振荡柱体的控制机理仍缺乏研究。研究者通过对节段模型施加强迫振动,在实验模型前部施加边缘型对称型风嘴,研究控制装置对矩形板尾流旋涡脱落的影响。通过流动显示结果,总结了施加风嘴后的四种旋涡脱落模式。并通过快速傅里叶变化频域分析法,得到实验模型后缘X/D=10处的速度功率谱。施加风嘴控制能增大旋涡脱落频率,并抑制尾流旋涡脱落的能量。而数值模拟得到的不同实验工况下的升力均方根和力矩均方根显著减小,最大降幅分别为52%和23%,表明矩形板气动稳定性的提升和尾流不稳定性的减弱。     

旋转振荡板尾流的控制研究

桥跨结构发生颤振时的旋涡尾流可由二维强迫旋转振荡板绕流模拟. 在弦厚比B/H = 5的振荡板两侧对称地放置两个宽度比均为b/H = 0.33的窄条, 对尾流的锁频旋涡脱落进行控制. 采用数值模拟和实验验证方法, 对旋涡场、尾流平均和脉动速度, 以及板所受扭转力矩和升力进行研究, 研究的振幅范围β = 0° ~ 10°, 振频范围f_eH/V_∞ = 0 ~ 0.0857, 雷诺数Re = V_∞H/V = 2800. 窄条位置分为板的前缘、中央和尾缘3种, 控制参数为窄条横向坐标y/H. 根据实验结果, 当窄条位置y/H在一定范围, 振幅β = 0° ~ 7.5°, 振频f_eH/V_∞ = 0 ~ 0.08时, 有控制和无控制尾流脉动速度功率谱主峰的比值远低于1, 最低可达0.3左右. 根据数值模拟结果, 当中央控制件位于y/H = ±1附近时, 在振幅β = 0° ~ 7.5°, 和一定频率范围内, 脉动扭转力矩均方根和升力均方根都有大幅下降, 最多可分别降低43%和80%. 引入第一和第二涡黏系数, 将尾流无规则脉动形成的湍流法向和切向应力, 分别与扰动速度幅值的法向和切向梯度相联系, 得到线性稳定性方程. 稳定性分析表明, 施加控制后, 最大扰动放大因子ω_{i max}大幅降低, 扰动增长的频率范围显著收窄. 窄条改变尾流速度剖面形状并增大湍流涡黏系数, 从而减弱尾流的不稳定性.