横向受迫振荡圆柱低雷诺数绕流问题数值模拟

对雷诺数Re=200的圆柱在均匀来流中横向受迫振荡的问题进行数值模拟分析.通过改变运动圆柱的振荡频率和振幅,分析圆柱所受作用力及圆柱尾流泻涡结构的变化特性,振荡圆柱在非锁定状态和锁定状态下作用力曲线和圆柱尾流泻涡结构的变化情况,以及不同圆柱振荡频率和振幅情况下单个振荡周期内圆柱尾流泻涡结构模式之间的转换特征.     

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。     

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%。     

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。     

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。     

二维圆柱涡激振动的数值模拟

采用动网格的动态层铺模型和滑移网格模型以及用户自定义接口编程,将计算结构响应的Newmark-β代码嵌入FLU-ENT软件,建立了2D圆柱横流向涡激振动(VIV)的计算模型。在雷诺数6×103~2×104或对应的约化速度Vr=3~10范围内,结合k-ω湍流模型,并且以静止圆柱为初始状态,首先计算了质量比m*=12.8、255.5和结构阻尼比ζ=0.0%、0.5%几种情况下圆柱的VIV。通过与经典的Feng-type图示比较发现,在小"组合参数"(m*ζ)情况下,计算结果与实验的"初始"支和最大响应吻合较好,同时观察到"初始"支与"下"支之间的"跳跃"现象。通过另外两组工况的计算发现,m*与ζ对圆柱振幅的影响不同,前者是完全非线性的,而后者几乎是线性的。     

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。     

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。     

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。     

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。     

振荡圆柱流体动力系数测量

本文介绍应用光滑柱体在静水中作简谐振荡,测量振荡流中的圆柱流体动力系数的试验研究。试验是在上海交通大学流体力学试验室的水槽中进行的,应用直径为0.10、0.08.0.06、0.04、0.02米的圆柱,作频率为0.125到0.25赫兹的大振幅振荡,测量其水平方向和垂直方向的力。对测量得到的流体动力时间历程进行的分析表明,这一类测量方法,可以得到和Sarpkaya应用U型管测量得到的相同精度的结果。     

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。     

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。     

潮流能转换装置串列双圆柱下游圆柱流致振动数值模拟

针对双振子流致振动潮流能转换装置,基于ADINA软件对上游圆柱固定、下游圆柱横向振动的串列双圆柱流致振动,在不同工况下进行了数值模拟,并与文献和试验结果进行了对比分析,验证了该模拟方法的正确性并分析了不同因素(间距L=1.5 D~8.0 D、流速v=0.4~0.75m/s及相应流速v下的雷诺数Re=2.88×10~4~5.76×10~4)对下游圆柱流致振动的影响。结果表明,圆柱间距影响双振子尾流模式和下游振子振动形式;间距L=5 D~7 D范围内下游振子达到最大振幅,比单圆柱涡激振动增大50%。     

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。     

低雷诺数下圆柱涡激振动的二维有限元数值模拟

采用有限元方法求解原始变量的二维不可压粘性流体的N-S方程,计算了雷诺数从90到150范围内圆柱绕流引起的涡激振动,完整地再现了流固耦合系统从不共振到频率锁定,再到脱离锁定的过程,成功地预测到了涡激振动的“拍”和“锁定”现象,并与A nagnostopou los和B earam an的试验结果进行了比较。计算涡激振动时用ALE方法分析圆柱和流体的耦合作用,圆柱振动被简化为质量-弹簧-阻尼系统。     

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。     

二维圆柱涡激振动数值模拟中湍流模式适用性的探讨

采用RANS结合4种湍流模型对低质量比单自由度涡激振动进行数值模拟,对比分析其对该问题的适用性。用四阶Runge-Kutta法离散运动方程,基于动网格技术处理圆柱振荡引起的网格运动,并对壁面条件的处理进行了细致分析。根据Williamson水槽实验,从振幅比、频率比响应、水动力系数及相位突变、尾涡模式等方面对比分析了4种模型的性能和表现,结果表明Standardκ-ω模型与实验差异较大;目前本类研究中运用较少的Realizableκ-ε模型也是可以适用于涡激振动计算的;κ-ω系列模型得到的最大振幅(0.55D)小于κ-ε系列模型的结果(0.87D);SSTκ-ω模型以及2种κ-ε模型都反映出锁定区振动频率fex与泄涡频率fst分离,其中SSTκ-ω模型较为接近实验结果;尾涡模式上,SSTκ-ω模型在各个分支与实验结果一致;总之,各种模型针对不同物理现象各有优势和缺陷。