基于格子Boltzmann方法的流动控制问题的数值模拟研究

发布时间：2018-01-07 20:03

  本文关键词：基于格子Boltzmann方法的流动控制问题的数值模拟研究　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：柱体绕流的旋涡脱落会导致涡激振动和噪声等负面影响,如何消除涡激振动带来的危害是必须考虑和解决的实际问题。流动控制技术可以抑制旋涡脱落,是消除涡激振动的有效途径。多年来,研究人员总结实验现象和数值模拟的结果提出两种流动控制方法,主动控制和被动控制。主动控制是一类需要使用外加能量来驱动装置和设备的控制方法,即考虑从柱体本身做出改变,如强迫振动。被动控制不需要额外动能,利用柱体外部环境因素间接实现消涡减阻。其中包括在柱体的外部添加控制部件,如导流板。利用流动控制技术实现对柱体绕流的控制,具有重要理论意义。从工程实际角度来看,抑制柱体的旋涡脱落,对保护使用中的结构免受涡激振动危害方面具有重大的现实意义。基于以上认识,本文数值模拟两种流动控制问题,其一是附带导流板的近壁面圆柱绕流问题,其二是振动椭圆柱绕流问题。本文的研究成果有助于认清旋涡脱落抑制的内在机理,对流体工程问题有重要的指导意义。本文模拟的两种流动控制方法,都能达到控制柱体尾流旋涡脱落的效果,实现减小阻力和消除涡激振动的目的。本文采用的数值模拟方法是结合大涡模拟的二维9速度多松弛格子Boltzmann方法,该方法的演化方程是:fα(x+ eα△t,t+△t)-fα(x,t)=-M-1S[m(x,t)-Mt)(eq)(x,t](1)公式中f(x,f)=[f0(x,t),f1(x,t),…,f8(X,t]T是速度空间、时刻t、位置x处的粒子分布函数,M-1是正交变换矩阵M的逆矩阵,S是对角矩阵。m为矩空间矢量,m=Mf,f=M-1m,]m(eq)=Mf(eq)是矩空间的平衡态函数。速度空间的平衡态分布函数fα(eq)(x,t)可统一的表示为如下形式:其中,ρ和u分别是流体的密度和速度,格子声速 粒子的速度空间离散为如下9个速度:式中 △x是格子长度,△t是时间步长。ωα是权系数:流体的密度和速度可以由下面两式获得:对角矩阵S包括的松弛时间这样给出:S=diag(Sρ,Se,Sε,Sj,Sq,Sj,Sq,Sv,Sv),这里的Sρ和Sj为守恒量的松弛时间,可以任意设置;Sv决定了运动粘度Se与体积粘度有关。变换矩阵M为:将大涡模拟模型引入多松弛格子Boltzmann方法后,有效粘性系数被表示成Vtotal = V0 + Vt,其中V0=UL/Re是运动粘度系数,Vt为亚格子涡粘性系数。Vt可根据涡粘模型公式确定:,其中Cs为亚格子涡粘模型参数,△为滤波尺度,,Sij为应变率张量,可以表示为。边界处理方法选用非平衡态外推格式。首先数值模拟被动控制方法中附加导流控件的流动,研究其流动特性并分析消涡减阻机理。本文将圆柱置于壁面附近,圆柱右端附带一个导流板,圆柱和导流板组成圆柱-导流板系统,计算模型中壁面是运动的,具有和来流相同的速度。我们对参数的敏感性进行了分析,考虑两个参数,一个是间隙率G/D,取值从0.1变化到3.0,另一个是雷诺数Re,取值从200到400。首先研究了间隙率对旋涡脱落的影响,找到不同雷诺数对应的临界间隙率。当间隙率小于临界间隙率时,圆柱-导流板系统尾流区的交替涡脱落现象完全消失,流动状态稳定。我们发现,在圆柱的尾流区增加一个导流板,有抑制涡脱落的作用。然后分析了间隙率对升阻力系数的影响,得到平均阻力系数和升力系数的变化曲线。平均升阻力系数随着间隙率和雷诺数的减小而同步减小,表明壁面移动和附加导流板具有明显的减阻效果,最大减阻率达到30%。其次数值模拟振动椭圆柱绕流问题,考察柱体振动的频率和振幅对流动结构的影响,并分析消涡减阻机理。振动柱体绕流问题中,用"锁定"来描述涡脱落频率与柱体振动频率的同步。当旋涡脱落频率和柱体激振频率相同时叫做锁定状态,否则为非锁定。本文选择雷诺数Re = 200时的椭圆柱振动作为基本模型。首先对椭圆柱振幅与短轴比为0.2时的情况进行数值模拟,研究振动频率对旋涡脱落形态的影响。当振幅固定时,振动频率越大旋涡脱落形态越杂乱,说明振动可以扰乱旋涡脱落规律。然后研究振动频率对流场流动结构的影响,在流场中设置监测点,对监测点的y-方向速度分量变化进行功率谱分析,获得锁定与非锁定的振动频率分布图。对比平均阻力系数变化曲线,归纳锁定发生时的振动频率和振幅,确定共振发生的频率分布范围。依据此分布情况,工程中可通过改变柱体振幅和振动频率的方式,实现对已有涡激振动的干扰,避免共振的发生。此结论从保护工程构件免受共振危害出发,提出可供参考的理论依据。
[Abstract]:Flow around a cylinder vortex shedding vortex induced vibration and noise will cause negative effects, how to eliminate the hazards of vortex induced vibration is brought must consider and resolve practical problems. The flow control technique can suppress vortex shedding, is an effective way to eliminate the vortex induced vibration. Over the years, the researchers summarized the experimental phenomenon and numerical simulation the results put forward two methods of flow control, active control and passive control. Active control is a control method of a class need to use extra energy to drive the device and equipment, taking into account the change from the column itself, such as forced vibration. By dynamic control does not need additional energy, realize the indirect anti vortex drag reduction by column body external environment the factors including adding control parts in the external cylindrical body, such as the guide plate. To achieve the control of flow around a cylinder using a flow control technology, it has important theoretical significance. From the view of engineering practice. 鐪，

本文编号：1394015