不同倒角半径下方柱绕流的数值模拟及水动力特性研究

为了研究不同倒角半径对方柱绕流特性的影响,采用有限体积法,模拟了雷诺数Re为22 500、倒角半径为0.1D(D为方柱边长的长度)、0.2D和0.3D时方柱的绕流过程。方柱近壁面采用增强壁面函数,模型采用SST k–?湍流模型。根据模拟结果给出了不同倒角半径下方柱的流场涡量图以及阻力系数Cd和升力系数Cl;利用快速傅里叶变换法得到斯托罗哈数St。结果表明,倒角半径的增加改变了方柱的分离点,使得尾流区长度增加,旋涡尺度减小;Cd和Cl的振动幅值呈现先减小后增大的趋势,倒角半径为0.1D和0.2D时方柱受力较小,不存在倒角时方柱受力较大,倒角半径为0.3D时方柱受力最大;随着倒角半径的增加,柱体截面形式越接近圆形,斯托罗哈数逐渐增大,漩涡脱落频率更快。     

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。     

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。     

并列双圆柱绕流的水动力特性研究

多柱体系统在石油开采逐渐向深海发展的过程中得到广泛的应用,由于波浪、流对多柱体的影响易导致其破坏。因此研究多柱体系统绕流具有重大价值。目前多不等直径多柱体绕流的研究还有待深入。本文利用Fluent模拟雷诺数Re=3 900,G/D为0.1~2.5,d/D为0.5、1.0情况下并列双圆柱的绕流过程,并根据模拟结果分析G/D和d/D的变化对大、小柱体涡脱落形态、升力系数Cl、阻力系数Cd和St值的影响。结果表明,随着G/D变化,涡脱落形态会呈现出不同的形式,绕流参数值也随之发生变化。当0G/D≤0.2时,柱后只有一个涡脱落,为单一涡脱落区,升、阻力系数值存在突变,St值小于单柱St值;当0.2G/D≤0.5~1.0时,柱后出现交替的偏斜流,为偏斜流区,升、阻力系数随着G/D的增大而减小,St值在两个极值之间变化;当0.5~1.0G/D≤2.5时,柱后有成对的涡旋,为双旋涡脱落区,升阻力系数值趋于稳定,St值稳定在0.2左右。偏斜流区与双旋涡脱落区之间的临界间距比G/D随着d/D的增大而增大;不等直径情况下,间隙流偏斜对大柱的影响小于对小柱的影响。     

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。     

平板对下游方柱流体动力性能影响分析

基于有限体积法求解二维粘性不可压缩Navier-Stokes方程,分别采用层流模型和Realizable k-ε模型研究Re=250和Re=104前置平板与下游方柱间的流动干扰现象,分析不同尺度的平板布置在不同位置时对下游方柱的绕流场及流体动力性能的影响。计算发现在方柱上游布置平板可以有效的控制方柱的绕流场,减小方柱的阻力系数和升力系数;随着平板尺度的增加,方柱的阻力系数、升力系数呈下降趋势;并且存在较好的平板布置区间,可以最大程度的降低方柱和平板的阻力系数及方柱的升力系数,从而达到良好的减振、降噪的效果。     

错列不等直径双圆柱绕流特性数值研究

为研究低亚临界雷诺数Re情况下错列角度θ对不等直径双柱体绕流特性的影响,利用Fluent软件模拟了Re为3 900、间距比G/D为2.0、直径比D/d为0.5、θ=0°~180°之间9种角度的绕流过程,得到了流场涡量图、斯特鲁哈数St_1和St_2、平均阻力系数C_(d1)和C_(d2)以及平均升力系数C_(l1)和C_(l2)。研究结果表明,随着θ的从小到大,St_1先增大后减小,且在θ=30°和180°时有两个值,St_2在θ=120°~150°时明显小于其它角度;C_(d1)和C_(d2)的整体趋势都是先增大后减小,C_(l1)在θ=150°时取得极大值,C_(l2)在θ=30°时取得极小值。θ=0°时,两柱后方有单一涡脱落形态;θ=30°时,小柱后方有稳定漩涡脱落产生,大柱后方涡脱落受到干扰,且大柱有两个涡脱落频率;θ=45°~90°时,在间隙流的作用下,两柱后方均有漩涡脱落,尾流中有两列涡街;θ=120°~180°时,大柱后有稳定漩涡脱落,小柱涡脱落受到抑制。研究结果可为相关海洋工程设计提供参考。     

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。     

海流作用下子母管结构横向涡激振动

基于量纲分析,设计模型试验研究稳态海流作用下子母管结构的横向涡激振动。通过对结构横向振动位移、水动力载荷和流场速度的同步测量分析,研究子母管结构横向涡激振动幅值和频率随约减速度的变化规律以及母管的水动力特性。实验结果表明,子母管间距比和质量比对管道横向振动和水动力有较大影响。在管间距比为0.1～0.5范围内,子母管结构涡激振动存在明显的不对称性。随着子母管间距比的减小,结构横向最大振幅增大,涡激振动的约减速度范围变宽;随着质量比的增大,涡激振动的约减速度范围变窄。母管的平均阻力系数随子母管间距比的增大单调递减,而平均升力系数则呈现非单调变化的特征。     

悬链线管体三维流场数值模拟研究

基于计算流体力学开源代码Open FOAM开展不同雷诺数(100≤Re≤3 900)下弯曲管体绕流流场三维数值模拟研究。对比分析不同雷诺数条件下弯曲管体的瞬时和时均流场特征,研究了弯曲管体不同位置处的时均压力系数和旋涡脱落频率。结果表明:当Re=100时,尾流中仅有展向涡存在;当300≤Re≤3 900时,流向涡出现且强度逐渐增加,展向涡减弱,随着局部曲率增大,沿弯管展向涡脱强度减小。随着雷诺数的增大,回流区沿流向的延伸尺度减小,但其沿展向的分布范围增大。沿弯管展向随着深度减小,前后驻点时均压力系数的绝对值递减,圆周时均压力系数变化幅度减小。在300≤Re≤3 900范围内,管体曲率会对展向涡脱频率产生一定影响。     

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。     

动波浪壁圆柱绕流三维数值模拟

利用计算流体力学软件Fluent开展了三维动波浪壁圆柱绕流的数值模拟,建立了三维运动波浪壁圆柱模型,通过C语言自编程序实现波浪壁面的运动控制,并保证壁面变形时网格的高质量。在来流速度u=0.125 m/s、雷诺数Re=12 500的情况下,开展了动波浪壁波动速度w=0、0.062 5、0.125、0.187 5 m/s四个工况的计算分析,并比较了不同波动速度对流场结构、升力、阻力特性的影响。结果表明:动波浪壁圆柱能有效抑制流动的分离,消除交替脱落的尾涡,从而消除周期振荡的升力;在消除卡门涡街的同时,圆柱后驻点处的涡量值随波动速度增加而增加,其原因在于波形移动加大了壁面流体的速度,从而减小了圆柱前后的压力差,减小了阻力;随着波动速度的增大,平均阻力系数呈明显下降趋势,当波动速度为来流速度的1.5倍时,平均阻力系数相对于光滑圆柱下降了53.76%。     

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。     

The influence of corner radius on the forces experienced by cylindrical bluff bodies in oscillatory flow

Measurements are presented of the effects of corner radius on the hydrodynamic forces experienced by cylindrical bluff bodies in oscillatory flow over the Keulegan Carpenter number range from 1 to 100. The range of Reynolds number covered is from 200 to 2 × 10⁴ and two basic cross-sectional shapes, namely a square and a diamond, were used in the investigation. Drag coefficients in oscillatory flow are found to be more sensitive to corner radius than in steady flow. At a fixed Keulegan Carpenter number the drag coefficient of a diamond section decreases with increasing corner radius and the reduction is more marked at low Keulegan Carpenter numbers. The drag of a square section does not follow a consistent trend with corner radius and for high Keulegan Carpenter numbers the rounded square with a corner radius of 0.265D (where D is the width of the model normal to the flow) can have a drag coefficient equal to half the value for a circular cylinder.     

Three-dimensional flow around a square cylinder near a wall

In this study, two- and three-dimensional numerical simulations were performed to investigate the effect of the flow structure in the wake of a square cylinder placed near a plane wall by applying a fully implicit finite-difference method to the Navier-Stokes equations. The gap ratio between the cylinder and the wall, G/D, was varied from 0.2 to 4 for the Reynolds numbers of 175, 185 and 250. The role of the 3D structure on the lift and drag coefficients and Strouhal number was investigated. The results were compared with those of the 2D numerical simulations. The deviations of the 3D flow structure of the cylinder-wall pair from that of a single cylinder were also reported. At Re=250, B type secondary vortices were determined in the wake region. At Re=175 and 185, transition from A type vortex to fully periodic B type vortices was observed when the cylinder was brought closer to the wall.     

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。     

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。     

Numerical Simulation on Flow Past Two Side-by-Side Inclined Circular Cylinders at Low Reynolds Number

A series of three-dimensional numerical simulations is carried out to investigate the effect of inclined angle on flow behavior behind two side-by-side inclined cylinders at low Reynolds number Re=100 and small spacing ratio T/D=1.5 (T is the center-to-center distance between two side-by-side cylinders, D is the diameter of cylinder). The instantaneous and time-averaged flow fields, force coefficients and Strouhal numbers are analyzed. Special attention is focused on the axial flow characteristics with variation of the inclined angle. The results show that the inclined angle has a significant effect on the gap flow behaviors behind two inclined cylinders. The vortex shedding behind two cylinders is suppressed with the increase of the inclined angle as well as the flip-flop gap flow. Moreover, the mean drag coefficient, root-mean-square lift coefficient and Strouhal numbers decrease monotonously with the increase of the inclined angle, which follows the independent principle at small inclined angles.