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。     

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。     

不同来流条件下四圆柱尾流场试验研究

基于粒子图像测速技术(PIV)对小间距比比L/D=1.5工况下方形布置四圆柱在不同来流角角α(α=0°、15°、30°、45°)条件下的尾流流场特性进行了试验研究,分析了不同来流角度条件下四圆柱瞬时和时均尾流流场特征,获得了瞬时和时均速度矢量、涡量等值线、流线拓扑及雷诺应力分布随来流角度变化的规律。试验结果表明,来流角度对方形布置四圆柱尾流形态有显著影响。四圆柱瞬时尾流形态随来流角度增大可分为延伸体流动流态(α=0°)、尾流剪切层附着流态(α=15°、30°)及尾流剪切层共同脱落流态(α=45°)三种流态。当来流角度增大时,四圆柱下游断面平均流向速度分布由"W"形向"U"形转变,时均雷诺正应力及雷诺剪切应力等值线分布特征也会发生明显改变。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高雷诺数下近壁圆柱绕流数值模拟与分析

近壁圆柱绕流问题在海底悬跨管道的研究中具有重要的意义。在绕流阻力、升力以及海底土壤的耦合作用下,海底管道所发生的移位、悬跨等现象对于海底管道的安全运行构成了很大的威胁。正确预测各种绕流条件下管流之间的作用力是保证油气管道安全的首要任务。海底管道在极端海洋环境条件下的管、流相互作用为高雷诺数绕流问题,处于高雷诺数下的绕流模拟比处于低雷诺数下的绕流模拟要复杂很多,它需要更精细的网格以及合适的湍流模型。此文对处于悬跨状态下的海底管道进行数值研究,给出不同间隙比下海流绕流海底管道的流场结构形态,分析了间隙比对绕流阻力和绕流升力的影响,为进一步研究海底悬跨管道的受力和变形提供载荷边界数据。     

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。     

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%。     

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。     

均匀流中直立圆柱体绕流三维数值模拟

研究直立贯底圆柱体的三维粘性绕流问题。以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,采用有限体积法和SIMPLE算法,建立了数值模拟方法。考察在不同水平和垂直断面上,圆柱体绕流产生的尾涡和流动速度场的分布特性,成功地数值模拟了直立贯底圆柱体绕流场的三维特性。结果表明,在考虑重力影响的情况下,直立圆柱体周围的流动具有明显的三维特性,而且沿圆柱体轴向不同断面上的尾涡分布是不相同的。     

基于MPS方法模拟低雷诺数方柱绕流问题

柱体绕流问题是流体力学领域一个非常经典的问题。当流体流经柱体时,由于黏性的存在,会发生许多复杂的流动现象,如流动分离、涡旋周期性生成与脱落等,经常被作为标准验证算例。同时,柱体绕流广泛存在于实际工程中,并在一定工况下可能对工程产生巨大危害,因此对柱体绕流进行深入研究具有重要意义。研究中,拟将一种无网格类方法——半隐式移动粒子方法(moving particle semi-implicit method,简称MPS)引入到柱体绕流问题的数值研究中,并对不同雷诺数下二维方柱绕流问题进行数值模拟。首先,使用基于MPS方法自主开发的MLParticle-SJTU求解器,结合入口边界条件和出口边界条件,模拟了雷诺数Re分别为40、200和1 000时均匀来流条件下的方柱绕流。随后,将模拟的绕流结果与文献中试验和数值计算结果进行了对比,结果吻合较好,并且在雷诺数为200和1 000时,可以清晰地捕捉到方柱尾流中的卡门涡街现象,验证了MPS方法在柱体绕流问题模拟上的有效性和适用性。     

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。