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。