不同雷诺数下倾斜圆柱绕流三维数值模拟研究

基于计算流体力学(CFD)开源代码OpenFOAM开展了不同雷诺数(Re=100、1500和3900)和倾斜角度(-60°≤α≤60°)工况下倾斜圆柱绕流流场的三维数值模拟,研究倾斜圆柱绕流的三维瞬时及时均尾流流场、流线拓扑、升阻力系数与旋涡脱落频率随雷诺数及倾斜角度变化的规律,探讨在顺流向及逆流向情况下独立性原则对倾斜圆柱绕流的适用性。研究结果表明:随着圆柱倾角的增大,倾斜圆柱尾流产生较为明显的轴向流,尾流旋涡脱落受到明显抑制,细碎旋涡逐渐消失,尾流宽度随之减小;随着雷诺数的增大,圆柱尾流涡管发生明显的变形,展向掺混使得大量细碎旋涡产生,呈现出明显的三维特性。在不同雷诺数下,阻力系数均值、升力系数均方根及无量纲涡脱频率在一定倾角范围内符合独立性原则。     

亚临界区雷诺数下圆柱绕流场电磁力控制数值研究

在亚临界区雷诺数下,采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下圆柱绕流场及其升阻力特性进行了数值模拟与分析。结果表明,电磁力可以提高圆柱体边界层内的流体动能,延缓圆柱体近壁面流动分离,减弱绕流场中流向和展向大尺度涡的强度,减小圆柱体阻力及其升力脉动幅值;当电磁力作用参数大于某个临界值后,流动分离角消失,在圆柱体尾部产生射流现象,电磁力产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值显著减小且接近于零。     

雷诺数为3 900时三维圆柱绕流的大涡模拟

自从人们对层流的圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,人们逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流,但相关研究主要关注于模拟湍流方法的数值格式和精度问题,而忽略了对高雷诺下圆柱绕流流场本身的认识及规律的总结。基于开源代码Open FOAM的大涡模拟方法以连续方程和Navier-Stokes方程为控制方程,选用Smargorinsky模式为亚格子应力模型,采用有限体积法和一次预测两次修正的PISO算法,对Re=3 900时三维圆柱绕流问题进行了数值模拟研究,并着重分析了其尾流特征和性质。数值计算结果表明:大涡模拟方法可以模拟出细致的流场结构,该雷诺数下的圆柱绕流具有很强的三维及湍流效应,在圆柱后方约一倍直径的范围内存在回流区域,在靠近圆柱壁面的尾流区域的速度剖面呈"U"型,远离壁面的速度剖面呈"V"型。瞬时速度剖面始终围绕着时均速度的周围脉动,且距离圆柱越远瞬时速度场的脉动范围越大。     

湍流场多柱体绕流形态和水动力特性研究

为研究间距比对多柱体在湍流场下的互扰效应影响,利用Fluent软件模拟了雷诺数为3 900,柱间距比L/D为1.6~6.0情况下正方形排列四圆柱绕流过程。通过模拟得到了不同间距比下的升、阻力系数值以及涡量图,利用快速傅里叶变换法得到了漩涡脱落频率。结果表明,当柱间距比L/D为1.6~2时,4个圆柱后都没有漩涡脱落,随间距比增加,上游圆柱平均升力系数增大,平均阻力系数减小,下游圆柱平均升、阻力系数减小,斯特鲁哈数增大;当L/D为2~3.5时,随间距比增大,下游圆柱后开始出现漩涡脱落,平均升、阻力系数减小,斯特鲁哈数增大;当L/D为3.5~6时,随间距比增大,四个圆柱后都发生漩涡脱落,上游圆柱平均升、阻力系数减小,下游圆柱平均升力系数减小,平均阻力系数增大,斯特鲁哈数不变。L/D3.5时互扰效应逐渐增强,L/D3.5时互扰效应逐渐减弱;考虑到工程安全性和经济性,本文研究成果对于海洋工程设计具有一定的参考价值。     

分离盘控制圆柱涡激振动的数值模拟研究

圆柱涡激振动问题一直以来备受关注,分离盘作为涡激振动抑制装置得到广泛研究。分离盘长度L与圆柱直径D之比L/D是影响抑制效果的主要因素。运用有限体积法结合RANS方程与一定的湍流模式离散和求解流场,通过编写自定义程序,使用动网格模拟结构物的运动带来的流域边界的变化,针对弹性支撑的圆柱及附加长度为0.5 D的分离盘模型,在约化速度Ur为2.5~13的情况下,对涡激振动及其抑制进行研究。结果表明:分离盘可以抑制甚至消除圆柱涡激振动,99%以上的振幅被抑制;锁定区始点被推后,锁定区变窄;附加分离盘的圆柱阻力和升力被抑制;其斯特鲁哈数(St)稍高于单圆柱St但差别不大。     

不同运动自由度组合串列双圆柱涡激振动数值模拟

基于自主研发的紧致插值曲线CIP (Constrained Interpolation Profile)方法数学模型,对均匀来流条件时不同运动自由度组合下的串列双圆柱涡激振动问题开展二维数值模拟。模型针对雷诺数Re=100,质量比m*=2的串列双圆柱涡激振动问题,选取上、下游圆柱不同运动自由度组合工况进行模拟。重点分析圆柱的升阻力系数、运动位移随折合速度Ur变化的响应。研究表明:当上游圆柱双自由度运动时,随着下游圆柱运动自由度的增加,下游圆柱对上游圆柱涡激振动响应的影响减弱;当下游圆柱双自由度运动时,随着上游圆柱运动自由度的增加,上游圆柱对下游圆柱涡激振动响应的影响变强。研究结果表明圆柱运动自由度组合形式对串列双圆柱涡激振动的影响不可忽略。     

不同倒角半径柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,本文使用Fluent软件,采用大涡模拟对雷诺数Re=3 900下的6种不同倒角半径的三维柱体进行了研究。在模型验证基础上,分析了由方柱渐变到圆柱过程中后方流场速度的时均特性及瞬时涡脱落变化规律,给出了不同倒角半径下的升、阻力系数值及无量纲涡脱频率St数。分析结果表明:平均阻力系数随倒角半径的增加而降低,在倒角半径为0.2D时下降速率最大,相较方柱降幅达到50%;升力系数均方根在倒角半径为0.1D~0.2D时变化最显著,减小约93%; St数随倒角半径增加而增大,在倒角半径为0.4D时可达到最大值;回流区长度随倒角半径的增加呈先增大后减小的趋势,其长度在倒角半径为0.2D时达到最大;尾涡宽度在倒角半径为0.0D最大,后随倒角半径增加逐渐下降,且当倒角半径大于0.2D以后变化不大。本文研究结果可为柱体绕流研究及相关工程应用提供参考。     

近壁圆柱绕流水动力特性数值模拟与实验研究

通过数值模拟和物理模型实验,对距壁面一定高度的圆柱绕流水动力特性进行了研究。数值模拟采用有限体积法对标准k-ε模式方程进行离散,采用SIMPLE算法进行求解,模拟绕流流场。在物理模型实验中,将PVC圆管制作的实验模型安放在水槽内,在圆管的跨中沿表面周向均匀布置水下压力传感器,用于测量绕流圆柱体表面动水压力分布。通过改变Re数和间隙比来分析它们对近壁圆柱绕流水动力特性的影响。基于数值流动显示技术,给出了近壁绕流流场的尾流流态分析。通过数值结果与实验结果的对比,对近壁绕流圆柱体的升力系数及其表面动水压力分布进行了研究,对比结果显示了较好的一致性。     

振荡流绕圆柱流动的离散涡模拟

本文采用逐级近似法解边界层方程,由此来确定有涡存在情况下,绕圆柱振荡流动的分离点.与离散涡模拟法相结合,本文计算了分离点随时间变化的规律和圆柱的受力.给出了高雷诺数下圆柱的阻力系数C_D、惯性力系数C_M及升力系数C_L(t)的均方根值(r.m.s.).计算结果与他人的实验结果符合较好.     

低雷诺数下圆柱强迫振动特性光滑粒子流体动力学模拟

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,开发了能够准确描述水流作用下圆柱强迫振动特性的数学模型。通过引入适合于无网格粒子法的开边界算法,来模拟出入流边界条件,建立了具有造流功能的SPH数值水槽。圆柱及计算域的上下边界均采用修正的动力边界条件进行模拟。借助于粒子位移矫正和压力修正算法,避免了圆柱周围流体粒子压力大幅震荡以及结构下游区域出现空腔等非物理性现象。使用典型的圆柱绕流数据,验证了所建SPH模型的计算性能,研究了固定圆柱在低雷诺数情况下的尾涡脱落模式和升阻力变化规律。明确了低雷诺数下强迫振动圆柱在频率锁定以及非锁定区间内的升力变化规律,量化了升力与外界激励频率之间的关系。     

不同倒角半径四柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究四柱体布置情况下倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,使用Fluent软件,采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3 900下6种不同倒角半径的柱体在方形四柱体布置时的三维流场。在模型分析验证有效后,分析了柱体后方瞬时流场、水动力参数、时均流场的变化情况。分析结果表明:随着倒角半径的增大,上游柱体的平均阻力系数逐渐减小,下游柱体的平均阻力系数除了在R~+=0.1处增幅很大以外,其余均随倒角半径变大而平稳变大;各柱体的升力系数均方根变化趋势基本相同;R~+=0.1、0.5时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相反,而在R~+=0.2、0.3和0.4时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相同。     

Direct numerical simulation of flow over a slotted cylinder at low Reynolds number

Direct numerical simulation was conducted to investigate the flow past a slotted cylinder at low Reynolds number (Re) of 100. The slotting of cylinder affects the boundary layer separation, vortex formation position, recirculation region length and wake width, which are determined by the type of slit. The streamwise slit (SS1), T-shaped slit (SS3) and Y-shaped slit (SS4) act as passive jets, while the transverse slit (SS2) achieves an alternate self-organized boundary layer suction and blowing. The flow rate in slits fluctuates over time due to the alternate vortex shedding and fluctuating pressure distribution around the cylinder surface. One fluctuation cycle of flow rate is caused by a pair of vortices shedding for SS2, SS3 and SS4, while it is created by each vortex shedding for SS1. The wall shear stress and flow impact on the slit wall partly contribute to the hydrodynamic forces acting on the slotted cylinder. Taking into account the internal wall of slit, the transverse slit plays the best role in suppressing the fluid forces with drag reduction of 1.7% and lift reduction of 17%.     

不等直径串列双圆柱体绕流的数值模拟

利用Fluent软件模拟雷诺数为200时不同间距比G/D和直径比d/D情况下的圆柱绕流现象。根据模拟结果分析G/D和d/D对圆柱体的涡脱落形态,大、小柱体的升力,阻力系数和St数的影响,结果表明涡脱落形态随着G/D和d/D的变化呈现不同的形式,在G/D小于临界间距比时呈现单一涡脱落形态,在G/D大于临界间距比时,呈现双旋涡脱落形态;临界间距比随着d/D增大而增大。在临界间距比附近大、小柱体的升力和阻力系数值及St数变化较大,大、小柱体的St数具有相同的变化规律,St随着d/D的增大而减小。     

Computation of Viscous Uniform and Shear Flow over A Circular Cylinder by A Finite Element Method

The incompressible viscous uniform and shear flow past a circular cylinder is studied. The two-dimensional Navier-Stokes equations are solved by a finite element method. The governing equations are discretized by a weighted residual method in space. The stable three-step scheme is applied to the momentum equations in the time integration. The numerical model is firstly applied to the computation of the lid-driven cavity flow for its validation. The computed results agree well with the measured data and other numerical results. Then, it is used to simulate the viscous uniform and shear flow over a circular cylinder for Reynolds numbers from lO0 to lO00. The transient time interval before the vortex shedding occurs is shortened considerably by introduction of artificial perturbation. The computed Strouhal number, drag and lift coefficients agree well with the experimental data. The computation shows that the finite element model can be successfully applied to the viscous flow problem.     

两层粘性流体中圆柱体受迫振荡数值模拟

研究两层粘性流体中无限长水平圆柱体的受迫振荡问题。在湍流模式下,采用VOF方法追踪两层流体的内界面,基于动网格技术模拟圆柱体的运动边界,对均匀流中横向振荡圆柱体的绕流场进行了数值模拟。计算受迫振荡圆柱体的升力系数、阻力系数随时间的演化曲线和圆柱体的尾涡分布,以及圆柱体的受迫振荡激发两层流体内界面的扰动,并与均匀流体的情况进行了比较分析。研究表明,流体的两层分层效应对受迫振荡圆柱体的升阻力系数和尾涡分布特性都有显著影响,在水下输油气管道涡激振动特性的工程评估中,应考虑流体的密度分层效应。     

Flow past a circular cylinder between parallel walls at low Reynolds numbers

The flow about a circular cylinder placed centrally inside a channel is studied numerically with an unstructured collocated grid finite volume method based on the primitive variable formulation. The distance between the channel walls is allowed to vary to change the blockage ratio. Simulations are carried out over a range of Reynolds numbers that are consistent with the two-dimensional assumption. The study confirms that transition to vortex shedding regime is delayed when the channel walls are close to the cylinder because of the interaction between the vortices from the channel wall and cylinder wake. In the unsteady vortex shedding regime, the wake pattern is opposite to the classic Karman street in respect of the positions of the shed vortices. The cylinder drag coefficient and Strouhal number are considerably increased at smaller gaps while the root-mean-squared lift coefficient is significantly decreased. Several important flow parameters are correlated with the input parameters, namely Reynolds number and blockage ratio.     

张力腿平台绕流数值模拟分析

在一定来流条件下,张力腿平台(tension leg platform,简称TLP)的立柱后缘出现周期性的交替旋涡脱落,致使立柱受到垂直于来流方向的升力和平行于来流方向的阻力作用,导致TLP产生大幅度往复运动,显著增加平台结构和系泊系统的负载。目前,关于单柱、多柱结构绕流问题的研究较多,但对于TLP绕流特性的研究较少,机理尚存不明确的地方。为研究TLP的绕流力变化情况和流场特征,开展了数值模拟分析。利用计算流体动力学数值模拟软件,基于雷诺平均(RANS)法和分离涡模拟(DES)法对TLP绕流场进行仿真分析,揭示了TLP的绕流特性。结果表明,在3种来流角度和多个折合速度V_r下,TLP绕流的流体力系数存在明显差异,升力系数时域曲线呈现脉动性。TLP的上、下游立柱间存在明显的相互作用,影响了旋涡的形成与发展。TLP的旋涡脱落大多集中在平台固有频率附近,且在V_r=7,来流角度为0°时,升力系数频谱峰值最大,旋涡脱落集中。