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船舶力学 2024年第3期28卷 354-367页

作者：涂佳黄吕海宇胡刚王贯宇湘潭大学土木工程学院湖南湘潭411105 重庆市城市建设发展有限公司重庆400014

基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(Kd)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明:不同流场下尾流模式分为单漩... 详细信息

基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(Kd)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明:不同流场下尾流模式分为单漩涡、单漩涡体向双漩涡过渡、不规则的双漩涡、规则的双漩涡、双漩涡向三漩涡过渡、不规则的三漩涡和规则的三漩涡模式,在α=30°时流场下游涡街更加规则,尾流模式转变更快。三圆柱所受的时均流体力系数受间隙流流速影响较大,各来流角度下随间距比(除小间距比外)的变化趋势基本一致,尾流模式转变会导致三圆柱群的流体力系数均方根值发生显著变化,在Kd≥3.5后上游圆柱流体力系数均方根值有较大起伏。除α=0°工况外,在Kd≥2.5后中游圆柱的涡脱落频率受α和Kd影响较小,数值相对稳定。

关键词：浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法等边三角形布置尾流模式流体力系数流动机理

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等边三角布置圆柱绕流特性研究

等边三角布置圆柱绕流特性研究

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作者：胡刚湘潭大学

学位级别：硕士

建筑科学技术的进步使得人们对高层建筑、跨海桥梁等结构物的建造向着高度更高、跨度更大的方向发展。当上述结构物所处的地区发生台风、巨浪、尘暴等自然灾害时,流场中多个柱体结构之间的相互作用会影响其安全性和耐久性,将会对其主体... 详细信息

建筑科学技术的进步使得人们对高层建筑、跨海桥梁等结构物的建造向着高度更高、跨度更大的方向发展。当上述结构物所处的地区发生台风、巨浪、尘暴等自然灾害时,流场中多个柱体结构之间的相互作用会影响其安全性和耐久性,将会对其主体和基础结构造成损伤,造成人员和经济的损失。因此,对群柱体结构绕流问题的深入研究具有十分重要的工程意义。格子Boltzmann方法作为一种无网格方法,对柱体绕流问题的模拟计算具有很强的适用性和稳定性。综上所述,本文基于浸没边界-格子Boltzmann方法(IB-LBM),对等边三角形布置圆柱绕流问题进行数值分析,主要的研究内容如下:(1)对格子Boltzmann方法的基本方程、模型和边界条件进行推导,介绍了多松弛模型及其作用力模型,介绍了基于修正速度法求解外力项的IB-LBM的基本理论。基于上述数值计算方法,对固定单圆柱、旋转单圆柱、串列和并列布置双圆柱等典型绕流问题进行了数值验证,将本文的圆柱流体力系数、流场特征等结果与现有文献的结果对比,并取得准确的数值结果,说明了本文采用的IB-LBM适用于求解多柱体绕流问题。(2)基于IB-LBM对静止等边三角形布置三圆柱绕流进行数值模拟分析,重点研究了雷诺数、来流攻角、间距比等参数对圆柱的流体力系数、尾流模态、频谱特性的影响。研究结果表明,不同雷诺数工况的尾流模态可分成单钝体模式、双漩涡脱落模式、双漩涡到三漩涡过渡模式、反相三漩涡脱落模式、同相三漩涡脱落模式。随着间距比的增大,尾流模态呈现由单钝体模式到反相或同相三漩涡脱落模式转变的过程。雷诺数的增大加速了流场尾流模态由单钝体模式到反相或同相三漩涡脱落模式的转变过程。当流场的尾流模态发生改变时,圆柱的流体力系数会发生明显的突变。不同来流攻角工况的尾流模态可分为单钝体模式、双漩涡脱落模式、双漩涡到三漩涡过渡模式、三漩涡脱落模式。当间距比较小时,各来流攻角工况下的流场尾流模态分别呈现单钝体模式和双漩涡脱落模式。随着间距比的增大,流场尾流呈现由双漩涡到三漩涡脱落的过渡模式,不同来流攻角下流场发生过渡模式的间距比也会改变。当间距比较大时,所有来流攻角工况下的流场均呈现三漩涡脱落模式。不同来流攻角工况下,流场由过渡模式转变为三漩涡脱落模式发生的临界间距比会改变。(3)基于IB-LBM模拟了等边三角形布置旋转三圆柱绕流问题,根据间距比和来流攻角的不同详细分析各圆柱的减阻效果,并通过对圆柱流体力系数和流场特性来分析圆柱的旋转对流场特性的内在机理。研究发现,当间距比Kd=1.2,来流攻角α≤30°时,随着旋转速度的增大,流场的尾流状态将由规则的单行涡街向双行涡街转变,最后呈非规则的尾流状态。当α>30°后,来流攻角对流场的影响会大于旋转速度,各工况下流场的尾流均呈现规则的两行平行涡街。在α≤30°时,圆柱C1与C2的互扰作用会变强,从圆柱C2上侧脱离的漩涡强度明显高于由其内侧脱落的漩涡。而在α>30°时,圆柱C1与圆柱C3的互扰作用会变强。圆柱C2逆时针旋转导致圆柱C2的漩涡脱落受旋转速度的影响较小,在较大的旋转速度工况下仍能形成强度较大的漩涡。当旋转速度ω≥1.0后,圆柱C1和C3的漩涡脱落逐渐消失。当间距比Kd≥4.0后,圆柱之间的互扰效应减弱,各圆柱的漩涡脱落趋近于单圆柱工况。顺时针旋转对圆柱漩涡脱落的抑制效果优于逆时针旋转工况。α=0°工况圆柱漩涡脱落的抑制效果优于其他来流攻角工况。

关键词：浸没边界法格子Boltzmann方法等边三角形布置圆柱绕流旋转控制

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基于速度修正IB-LBM的圆柱强迫运动特性研究

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湘潭大学学报（自然科学版） 2023年第5期45卷 1-11,96页

作者：马欢欢胡刚王贯宇涂佳黄湘潭大学土木工程学院湖南湘潭411105 重庆市城市建设发展有限公司重庆400010

基于速度修正的浸没边界-格子玻尔兹曼方法(IB-LBM),对雷诺数Re=100时等边三角形布置三圆柱流致运动问题进行了数值模拟,推导并修正了速度修正的IB-LBM,验证该方法的准确性和适用性,着重分析来流角度、旋转速度和间距比3个参数的变化对... 详细信息

基于速度修正的浸没边界-格子玻尔兹曼方法(IB-LBM),对雷诺数Re=100时等边三角形布置三圆柱流致运动问题进行了数值模拟,推导并修正了速度修正的IB-LBM,验证该方法的准确性和适用性,着重分析来流角度、旋转速度和间距比3个参数的变化对圆柱流场、流体力系数以及其中顺/横流向速度的影响.结果表明:在间距比和来流角度较小的情况下,旋转速度越小,流场的尾流形态就会越规则,反之亦然,但是,来流角度的增大会使它占据影响流场特性的主导地位,使得尾流形态再次呈现规则状态;当间距比和旋转速度均变大的情况下,圆柱群间的互扰效应会随着来流角度的增大而变得更强,产生不同的旋涡脱落模式,归根结底是因为圆柱群间不同圆柱的放置方法导致了旋转方向的不同.

关键词：浸没边界-格子玻尔兹曼方法等边三角形布置旋转运动流场特性流体力参数

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