利用分区ALE算法数值模拟圆柱湍流涡致振动

用分区算法结合任意拉格朗日-欧拉法(ALE)数值模拟了圆柱湍流涡致振动.求解基于非交错网格系统,压力求解采用压力泊松方程提法,湍流模型采用标准k-ε模型和重整化群(RNG)k-ε模型.计算取中等雷诺数Re=5000、10000、15000、25000、50000等,质量系数M=10.阻尼系数ζ=0.00331,自振频率fn=0.18315、0.1628.计算结果表明:湍流涡致振动下圆柱时均阻力系数大于孤立圆柱绕流,而升力系数(振幅)值都小于孤立圆柱绕流.随着雷诺数增大,湍流粘性系数随之增大,但湍动能和湍流耗散率变化趋势不明显.对孤立圆柱绕流,研究结果与前人实验结果基本相符.     

ALE方法求解圆柱的涡致振动

数值求解基于拉格朗日-欧拉(ALE)描述的不可压缩流体的N-S方程,计算了较小雷诺数下圆柱的涡致振动现象.N-S方程的对流项和扩散项分别采用三阶迎风紧致格式和四阶中心紧致格式离散,计算网格采用H-O非交错网格系统,并结合分块耦合方法.柱体运动简化为弹簧-阻尼-质量系统,柱体运动方程采用经典龙格-库塔方法求解.通过模拟柱体和流体之间的非线性耦合作用,成功地捕捉到了"锁定"、"拍"和"相位开关"等现象,并与试验数据相吻合.另外,本文详细分析了Re＝200时圆柱尾涡形态、升力、阻力以及圆柱位移等随圆柱自振频率变化的过程,捕捉到尾涡结构变化的频率转折点.     

双圆柱绕流诱发振动的数值模拟(PartⅠ横向振动)

采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法数值模拟圆柱在尾流中的流体诱发振动特性.重点分析了圆柱的动力学响应特性,包括升阻力、位移振幅、拍和锁定等现象;另外也详细分析了圆柱的尾涡结构.研究结果表明,在串列下,大质量比时,圆柱的振动会受到抑制,小质量比时,圆柱的振动则会被放大;较之孤立柱的情形,圆柱共振发生在低于且接近于1.0的频率比带内且不易随质量比的变化发生偏移;小质量比下圆柱振幅及共振带都要比大质量比下的大得多;不同频率比和间距比下,圆柱的动力学特性存在明显的差异,相应的涡脱落模态呈现出2P、P S和2S模态甚至是2P S模态,各种模态之间互相竞争促进流固耦合的不断变化发展,导致涡间距和涡街宽度的变化.     

垂直交叉双圆柱绕流强迫振动数值模拟

采用虚拟体法数值模拟了平面单圆柱绕流强迫振动,以及空间垂直交叉双圆柱绕流下游圆柱强迫振动流场。验证了单圆柱强迫振动中的锁定状态以及相位突变现象,从而证实了该数值方法模拟振动流场的可靠性。研究了在雷诺数Re=150、间距为5倍圆柱直径、下游圆柱按正弦曲线振动时,对尾流场的影响。下游圆柱两端尾流场在振动的作用下,涡的横向间距增大,而中心尾流场由于受上游圆柱尾流的影响而保持原先的状态。下游圆柱在锁定区的振动使尾流场变得稳定,表现在流向二次涡结构的减少,以及尾流场的速度场频谱趋向单一化。     

双圆柱绕流诱发振动的数值模拟(Part I横向振动)

采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法数值模拟圆柱在尾流中的流体诱发振动特性。重点分析了圆柱的动力学响应特性,包括升阻力、位移振幅、拍和锁定等现象;另外也详细分析了圆柱的尾涡结构。研究结果表明,在串列下,大质量比时,圆柱的振动会受到抑制,小质量比时,圆柱的振动则会被放大;较之孤立柱的情形,圆柱共振发生在低于且接近于1.0的频率比带内且不易随质量比的变化发生偏移;小质量比下圆柱振幅及共振带都要比大质量比下的大得多;不同频率比和间距比下,圆柱的动力学特性存在明显的差异,相应的涡脱落模态呈现出2P、P+S和2S模态甚至是2P+S模态,各种模态之间互相竞争促进流固耦合的不断变化发展,导致涡间距和涡街宽度的变化。     

垂直交叉双圆柱绕流数值模拟及涡结构分析

用分块耦合方法数值模拟了垂直交叉双圆柱绕流,两圆柱间距为圆柱直径的5倍,所取雷诺数为200.在交叉结构的中心流场比较复杂,用λ2方法准确地描述了其中的三维涡结构,发现上游圆柱规则的卡门涡街被下游圆柱截断成复杂的缠绕结构.与串列双圆柱相比,垂直交叉双圆柱绕流上下圆柱的升阻力特性、Strouhal数等都呈现出许多不同的特点,下游圆柱升力振幅小于上游圆柱,阻力平均值大于上游圆柱.本文旨在模拟出这种特定间距下的流场涡结构以及圆柱升阻力特性.     

亚临界雷诺数圆柱涡致振动的实验研究

近年来,数值模拟结果表明圆柱涡致振动现象可在低至20的亚临界雷诺数下发生,但目前尚无相关实验证明该种现象的存在。本文首先研发了适用于低雷诺数流固耦合实验的旋转水槽,而后在此基础上开展了亚临界雷诺数下圆柱涡致振动实验,分别研究了支撑频率和雷诺数对涡致振动响应的影响。发现圆柱涡致振动存在的最低雷诺数为23,与数值模拟结果接近,证实了亚临界雷诺数涡致振动的存在;另外,发生亚临界涡致振动时,在尾迹区观测到了频率与圆柱振动频率一致的卡门涡脱,说明弹性支撑特性会使得流动稳定性降低,证实了相关数值模拟结果的正确性。     

二维弹性圆柱涡致振动的尾涡模态

对均匀来流情况下Re数为200的二维单自由度弹性支撑圆柱涡致振动问题进行了数值模拟。采用时空有限元方法求解二维不可压N-S方程,利用新型显示积分方法求解圆柱振动方程,并用弹簧动网格技术实现网格更新。针对低折合阻尼比涡致振动,分析了不同圆柱自振频率下升力系数、阻力系数以及圆柱位移等参数的变化趋势,成功地捕捉了锁定、拍和相位转换等现象。讨论了圆柱脱落尾涡模态随时间的演变,观测到新的2P+2S尾涡模态,当圆柱振动幅值最大时,尾涡在下游不同位置可能出现2S、2P+2S和2P模态。     

圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用问题,来流马赫数M∞取为0.75,基于圆柱直径D的雷诺数为2×105。计算结果表明,圆柱分离点处出现一道斜激波,并且以与涡脱泻Strouhal数一致的特征频率向上游传播。激波运动导致流场中出现反对称的流动模态,剪切层中压力信号的功率谱曲线中存在0.4、-1和-5次方的斜率关系,剪切层中的剪切应力角约为0°,脉动速度以流向脉动速度为主,并且沿剪切层的大尺度结构组织性减小。     

圆柱绕流涡系演变的DPIV测试

利用数字式PIV技术在阵风环境风洞中对Re＝500时的圆柱绕流进行测量，给出了圆柱后2．2倍直径、圆柱两侧各一倍直径的区域内一系列瞬态的速度矢量场、涡量场和流线图。根据可视化图像和量化结果，着重分析了该区域的涡系结构和一个拟周期内旋涡的发展演化过程。     

超声速气流中横向煤油射流的数值模拟

为了对超声速气流中液体横向射流进行数值模拟,采用Eulerian Lagrangian方法描述气液两相流动现象,用随机轨道模型追踪液滴的运动历程,并考虑气流可压缩性、流场不均匀性及液滴变形对液滴运动的影响,开发了相应的计算程序。计算结果发现,液体射流与气流之间存在着强烈的相互作用,液滴在进入气流中不久就破碎成很小的子液滴,受煤油液雾的影响气流速度、温度急剧下降,同时在喷孔上游出现一道弓形激波。与液雾结构的纹影图像和液雾穿透的实验结果对比显示,数值计算结果基本合理。     

斜、直圆柱绕流的CFD模拟

采用CFD软件CFX5.5对直圆柱和斜圆柱绕流进行数值模拟,计算了直、斜置圆柱的阻力系数、升力系数、周向平均压力系数及其脉动压力系数的均方根值,并与试验结果进行了比较.计算表明,斜圆柱绕流与直圆柱绕流有很大的差异:斜圆柱绕流的平均阻力系数减小,平均升力系数不等于零,升力系数的频域除包含有传统的卡门涡脱频率外,还包含有许多低频成份.     

高温高压超音速气液两相流场数值模拟

采用欧拉-拉格朗日方法对燃气-蒸汽发射动力装置内高温高压超音速燃气中的横向喷雾的气液两相流进行了数值模拟研究,气相采用RK-AUSM+格式求解N-S方程,液相应用颗粒轨道模型,两相之间的耦合通过在气相各守恒方程中添加源项来实现。针对不同的喷水孔径、喷水压差以及水汽质量比进行了数值模拟计算,分析了各种条件下的液滴蒸发情况以及对气相流场和能量输出的影响,为燃气-蒸汽发射动力装置的设计优化和能量调节技术提供了理论依据     

高温高压超声速气液两相流场数值模拟

采用欧拉-拉格朗日方法对燃气-蒸汽发射动力装置内高温高压超声速燃气中横向喷雾的气液两相流进行了数值模拟研究,气相采用RK(Runge-Kutta)-AUSM+(advection upstream splitting method+)格式求解Navier-Stokes方程,液相应用颗粒轨道模型,两相之间的耦合通过在气相...     

小突片强化混合结构三维流场数值模拟

采用Roe通量差分分裂格式对带有小突片的轴对称收-扩喷管内外流场进行了数值模拟。小突片形状有三角形和梯形，数目为2个或4个，堵塞比为0.02，0.04和0.06，相对高度为0.08和0.16，安装角分别为120°，135°和150°。计算结果表明在喷管出口安装2个或4个小突片能使得喷管下游内外流掺混时间及掺混距离大为缩短，而对喷管的推力系数影响不大。采用小突片对于降低喷流噪声和抑制尾喷流红外辐射是非常有利的。     

涡方法分析并列圆柱的旋涡脱落现象

利用快速离散涡方法及流场可视化技术分析二维粘性不可压缩均匀流中并列圆柱体的旋涡脱落现象，识别作用在圆柱上的气动力及旋涡脱落频率。使用边界元方法及引入一个新颖的涡量边界条件计算表面涡量，利用系数影响矩阵技术获得无网格方法，采用自适应快速多极子算法快速计算涡元速度。数值算例再现了不同间距并列圆柱体的同步同相旋涡脱落、同步反相旋涡脱落、尾流的不对称性及间隙流的半稳定性等现象，数值结果与早期实验结果吻合得很好。     

弯曲管道内湍流流动的数值模拟

为了对弯曲管道内的湍流流动特性进行有效的预测，用显示代数应力模式对－典型的弯曲管道内流动进行了数值模拟和分析，计算结果表明：（1）显式代数应力模式能对弯曲管道内流动的平均量（如速度、压力、摩阻等）进行较为准确的预测；（2）对模式中的ε方程做适当修正后，该模式能较好地模拟出流动曲率效尖对湍流特性的影响，是对雷诺应力模式的一个比较好的近似。此外，该模式在形式上与标准k－ε两方程模式类似，使用方便，具有较强的工程实用价值。