为研究过渡流下顺排圆柱列的流动规律,搭建了开式循环水槽。利用粒子图像测速(PIV)技术,在确定纵向间距(PT)及雷诺数(Re)的情况下,改变横向间距(Ps),从而对顺排圆柱列的瞬时场及时均流场进行可视化实验研究。实验结果表明在Re=150,PT=2.5D,Ps=2D^6D的工况下,上游圆柱与下游圆柱间距直接影响圆柱列流场换热效果。当Ps在2D^3D之间,上游圆柱与下游圆柱之间流场为回流死区,该区间换热效果差;Ps由3D增加至4D时,上游圆柱与下游圆柱之间流场由稳态变为非稳态;Ps由4D增加至6D时,上游圆柱与下游圆柱之间流场区域的洗刷效应减弱,且Ps=4D时,该区域的周期性更加明显。

为研究过渡流下不同雷诺数Re,不同横向中心距Ps的异管径三圆柱绕流的流动特性,采用二维粒子图像测速系统(PIV)对过渡流下异管径三圆柱绕流进行可视化实验研究。结果表明,Re=120、150和200时,横向中心距的变化对上下游圆柱尾流有着明显影响。横向中心距的变化主要影响上下游圆柱的互相作用,从而引起尾流旋涡形态的变化。在研究的工况中,随着横向中心距的增大,上下游圆柱尾流的旋涡尺度逐渐减小,下游小圆柱前的时均速度越来越小,从而降低了有效雷诺数。

为提高垂直轴风力机的运行特性,并为垂直轴风力机流场设计提供方法,对带有弯曲型全向导叶(导叶1)和直板型全向导叶(导叶2)的NACA0021翼型三叶片垂直轴风力机进行数值模拟,采用滑移网格技术,通过与文献实验值对比,确定合适叶轮的旋转区域计算模型。计算结果表明全向导叶可增大风力机的平均力矩,最大风能利用率为0.453,提高风力机的气动性能;另外,全向导叶影响风力机旋转区域的流场,促使力矩有较大波动;导叶1的速度尾流场范围较大,导叶2的速度尾流恢复速度较快。

气动力降阶模型是提高气动弹性振动分析速度的新方法。现有气动力降阶模型的研究主要集中在叶片和机翼的颤振方面,没有涉及尾流激励引起的叶片振动问题。基于小扰动理论,本文将上游尾流傅立叶分解为若干个谐波,分别计算各阶谐波对叶片气动力的扰动,通过线性叠加各扰动,建立了尾流激励的叶片气动力降阶模型。二维叶片的算例表明:本文建立的气动力降阶模型能够描述上游尾流引起的叶片气动力的变化。

为解决传统镜面后视镜对整车气动噪声和气动阻力影响较大的问题,基于计算流体动力学(CFD)利用SSTκ-ω湍流模型仿真的方法对一种汽车电子后视镜进行气动特性分析。在模拟的气流以27.78m/s的速度流动的风洞实验中,后视镜尾流区域的流场中存在低压区并形成低速层,随着气流的不断运动,低速层中涡流中心轨迹线开始均匀发散,未产生激烈的湍流。由于后视镜前部静压力高于后部,于是产生压差阻力。通过分析可知,低压区和低速层对整车气动特性影响较低。该电子后视镜相对于传统镜面后视镜在降低整车气动噪声和气动阻力方面优势明显。

气动力降阶模型是研究叶片气动弹性振动快速高效的新方法。现有气动力降阶模型的研究主要集中在叶片颤振方面,没有涉及更为常见的上游尾流激励的叶片振动问题。本文提出基于Volterra级数的尾流激励叶片气动力降阶模型,为尾流激励下叶片振动和动静叶干涉振动研究提供了新的思路。采用行波法简化尾流的参数个数,用阶跃信号法识别降阶模型的核函数。二维叶片的算例结果表明,本文方法可以较准确地描述尾流激励引起的叶片气动力振荡,而且计算效率极高。

对车尾后缘布置仿生凹坑的高速磁悬浮列车进行数值模拟,研究仿生凹坑间距对磁悬浮列车气动性能的影响。研究结果表明,当气流流过尾车流线型前端仿生凹坑时,会在凹坑内部产生高速涡旋,使得车尾附近产生高速回流,增大尾车表面的正压区域面积,且凹坑间距越小,高速回流区范围越大,正压区域也越大。同时仿生凹坑对尾流涡旋有收紧、沉降作用,还会使得尾涡强度降低。当仿生凹坑间距过于密集,凹坑间距小于2.4×10-2H(H为列车高度),整车阻力会增加;当凹坑间距增大至2.4×10-2H~6.0×10-2H,整车减阻率随凹坑间距增大而持续增大至2.66%;当凹坑间距进一步增大至7.2×10-2H,整车减阻率下降为1.6%。

在标准流线型杆件基础上改进形成4种杆件,利用有限元AnsysCFD大涡(LES)模型及FW-H噪声比拟模型对各自远场气动噪声进行数据计算和傅里叶(FFT)转换,结果表明两侧平滑且尾椎为弧形的杆件远场气动噪声声压级最小;杆件的远场气动噪声具有明显的指向性,且不同外形杆件的指向性是一致的;杆件侧面造型是气动噪声主频的主要影响源,尾椎形状的改变未对气动噪声主频造成影响;杆件尾流中周期性涡街脱落产生的脉冲压力是决定声压大小的主因,通过改变杆件外形调节尾流涡街脱落的频率可以达到减噪的目的。

对于海上浮式风机而言,由于受到剪切风、塔影效应、浮式基础运动等因素的共同影响,其气动载荷会更加复杂,因此如何准确快速地对海上风力机的气动性能进行预估显得尤为重要。基于速度势的非定常面元法理论,研究海上浮式风机气动载荷特性,编制了相关的计算程序。以NREL 5 MW风机为例,建立了叶片和尾流的三维数值模型,计算得到了不同风速下风机的输出功率以及叶片表面的压力分布,对比数据结果分析了该方法的可靠性。针对非定常流动,模拟了剪切风和塔影效应的作用,并重点分析了浮式基础运动对风机气动载荷的影响。研究表明,浮式基础的纵荡和纵摇会增加输出功率的波动幅值,艏摇运动会导致单个叶片上的气动载荷产生较大的波动,为浮式风机叶片控制提供了参考。

为了研究串列双圆柱绕流规律，针对本实验设计了开式循环水槽，将染色法及粒子图像测速（PIV）系统相结合。对不同雷诺数下的单圆柱、不同间距比的串列双圆柱绕流进行定量及定性的可视化实验。首先验证实验装置的稳定性。然后对不同雷诺数下的单圆柱绕流进行可视化实验，将实验数据与文献数据对比，验证实验装置的正确性。Re=200时，得出以下实验结论：当中心距Ps≤3D时，上游圆柱的尾流呈现出稳态，而下游圆柱的尾流是非稳态；增大间距，上游圆柱的尾流逐渐由稳态变成非稳态，并且这种非稳态将会加强下游圆柱尾流的非稳态，随后下游圆柱后端出现有规则的涡脱现象。