渦脫落的案例
[案例分析]STARCCM+入門系列之——渦脫落
二維網格中圓柱渦脫落的部分需要加密，網格如下圖所示：
2、STAR-CCM+設置
本案例的使用的流體是空氣，而且是不可壓縮和層流式流體。渦流脫落是周期現象，它需要使用瞬態求解器。
（1）選擇本案例相應的物理模型；
（2）修改空氣屬性，在Models> Gas > Air > Material Properties > Density > Constant節點，把值為1。將節點DynamicViscosity > Constant的值改為2.0E-5Pa-s，在Fluid> Initial Conditions > Velocity節點把速度改為[0.15,0.0] m/s。
（3）Regions >Fluid_Domain > Boundaries > Inlet節點，把進口速度節點改為分量，將其值改為[0.15, 0.0] m/s。
3、計算8秒以后的圓柱后面的渦如圖所示。
計算域渦分布
圓柱的升力系數
本文轉自有限猿仿真博客，感謝原作者。如有侵權請立即聯系刪除。
展開 整車風噪，三板斧就夠了嗎？
當高速氣流流過天窗開口的前緣時，由于粘性和剪切，會在開口附近形成脫落渦->>脫落渦向下游發展的時候會和天窗開口的尾緣相互作用，產生聲激勵向乘員艙內輻射->>乘員艙在激勵作用下會產生聲壓響應；當此壓力響應的頻率和天窗前緣渦脫落的頻率一致的時候，會進一步激發渦脫落->>這樣前緣渦脫落和乘員艙的聲響應就形成了一個鎖定的自激振蕩，也就是我們常說的亥姆霍茲共振，即為天窗風振。當然前、后側窗單獨打開時也可能會引起風振。只是由于A柱渦流和后視鏡尾流的作用，前側窗的來流更加混亂，不易產生規則且高能的脫落渦，風振現象較弱；而后側窗的來流相對于前側窗更加光順，所以更容易出現風振現象。
上圖給出了某主機廠使用PowerFLOW進行天窗風振分析的結果。由于風振是典型的低頻共振問題，對來流工況非常敏感，因此為了準確評估風振現象，我們需要計算不同車速下的聲壓級峰值；然后以風速為橫坐標，峰值聲壓級為縱坐標，建立一條速度掃掠曲線來描述風振的開始、峰值以及衰退的過程。上圖的結果顯示，天窗導流板顯著改善了天窗風振，且實驗和仿真的結果在整個速度掃掠區間內都吻合的非常好。
小結
通過上述的介紹，大家可以看到，影響整車風噪性能的因素有很多，而聲壓級是對數疊加，最大的噪聲源往往占據主導作用。一旦某個噪聲源的聲壓級比其它噪聲源大很多時，即便把某些次要的噪聲源完全消除，總的噪聲水平依然沒有太大的變化。所以評估整車風噪性能的時候需要更加全面和準確的考慮多個因素。三板斧雖好，不能包治百病哦。
其實每一個應用都有其獨特和有趣的地方，后面咱們掰開來慢慢給大家聊吧。
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展開 水下聲輻射機理與仿真分析
特別是當渦脫落頻率與物體的某階固有頻率相同且兩者的空間波數吻合時激發物體的共振，即唱音。通常情況下，槳葉是三維翼型，不同半徑處厚度不一樣，渦脫落頻率也不一樣，而且由于葉片間的葉柵效應會破壞脫出渦的周期性，因此，它更接近于寬帶噪聲。
邊緣噪聲：由于槳葉后緣的半平面屏蔽效應造成輻射源從偶極子源降級至單級子源，而輻射增大。該噪聲有明顯的指向性特征，垂直于流向。該噪聲頻率也由渦脫落頻率確定，屬于高頻范圍。
唱音：槳后緣的渦脫落形成周期力，當頻率與彈性振動某個固有頻率一致時，會發生諧頻放大，并使得渦脫落增強。當速度變化不大時，還會發生鎖頻自激振動。甚至有時唱音還會不同頻段發生，例如某螺旋槳300-400Hz、550-600Hz和650-700Hz。弱唱音產生的機理是來源于后緣產生的渦旋，這些渦旋引起的結構振動僅僅增強了渦旋強調和調節渦脫落頻率，也就是前面提到的渦旋噪聲和邊緣噪聲，其表征的是聲輻射能量不僅集中在葉片固有振動頻率上，而且還存在于附件區域，它隨著流速變化比較平緩。
運動激勵噪聲：由潛艇的軸系振動和艉部振動傳播至葉片而引起的聲輻射。頻率特征主要體現低頻窄帶（如艇體模態），也有中高頻窄帶（如軸系縱振）。
空化噪聲：
物體與水的相對運動引起局部壓力下降導致空化。螺旋槳空炮又分成稍渦空化、葉表面空炮和轂渦空泡。潛艇到達臨界轉速，空化噪聲強度急劇上升，其強度正比于空泡體積，空泡尺度逐漸從微米級增加到毫米，強度增大的同時，能量峰值逐步向低頻移動。在實際工程中，空泡通常會收到非均勻來流的影響，因此出現軸頻調制。
三、Simcenter Acoustics 仿真工具介紹
·Simcenter 3D繼承了Virtual lab高級聲學模塊，幾乎涵蓋了所有的成熟聲學仿真方法，針對大尺度模型、全頻段、多種聲源類型問題均具有詳細解決方案。
展開 我有三計，確保南京稱霸蘇超，穩當“南哥”
實際上，它是兩種效應的結合：阻力危機和渦脫落。
阻力危機我們提到過：《風阻系數的水很深》，你可以理解為當球速增大后，表面發生流動分離。后方低壓區變大，阻力也變大，球下墜更快。
對于足球來說，只要出球速度超過20m/s，就有可能發生阻力危機。
伴隨流動分離的，還有渦脫落。下圖就是用AICFD模擬的結果，這種周期脫落的渦也會讓足球的運動軌跡產生搖擺。
所以，南京隊的兄弟們，看完此文請立刻馬上去健身房練死勁兒。
用粗壯的大腿踢出急速下降且左右擺動的弧線，讓對方守門員感受一下科技的力量！
最后切記：以上三招只適合射門，傳球慎用，因為詭術妖球能騙過對方門將，也能騙過隊友！
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STAR-CCM+乘用車冷卻風扇氣動噪音研究
Ｂ風扇葉尖渦在離開葉圈時，受到了風扇外側回流的影響，使得葉尖窩在緊貼護風圈的下游位置得到了進一步的加強，之后才逐漸耗散。而A風扇受護風圈外部鋸齒形結構的影響，回流能量大大降低，因此葉尖渦在離開隨動護風圈區域之后渦流沒有被加強。
4. 結論
本文應用數值計算方法，分別計算了大直徑仿生葉片風扇和小直徑普通葉片風扇的氣動噪聲值，并深入研究了仿生葉片風扇的降噪機理。所得研究結論如下：
（1）以鳥類翅膀的宏觀非光滑結構為基礎，通過對風扇葉片形狀和護風圈形狀的調整，可以實現在風扇直徑增大的同時降低風扇氣動噪聲；
（2）通過調整風扇葉片形狀，可以減小風扇葉片前緣的氣流分離和尾渦脫落，這些改進有利于降低風扇氣動噪聲值，在具體的改進過程之中應主要關注葉片頂端位置 ；
（3）通過在風扇護風圈上設置鋸齒形結構，可以有效的降低葉圈與護風圈之間的回流能量，從而減小風扇的葉尖渦。
（文章來源于網絡）
展開 飛機出行時，坐哪兒最安靜？
從左下圖可以看到，氣流流過縫翼下側尖端的時候，會形成一定厚度的剪切層，剪切層拍打到縫翼后部產生聲波，聲波向上游傳播至尖端處又會激發渦脫落，這樣聲波與縫翼尖端的渦脫落形成了反饋回路，類似于空腔流動，產生一系列低頻的離散噪聲。另外，縫翼后緣與主翼之間的收縮通道強迫流動加速，導致縫翼尾緣處生成小尺寸的高頻脫落渦，從而產生高頻的離散噪聲。而襟翼的氣動噪聲來源較為直觀，主要來自于其兩端斷面處的誘導渦，如右下圖所示，相信大家對此都不陌生。
圖片來源：AIAA2006-0211（左）， AIAA1998-0628（右）
NASA也和PowerFLOW技術團隊合作，針對襟翼的氣動噪聲和降噪方案展開了深度的研究。下圖展示了某襟翼的基準方案和優化方案之間的對比，襟翼兩端打孔顯著降低了襟翼的噪聲水平（~4dB）；對于基準方案，PowerFLOW預測的遠場噪聲頻譜和實驗幾乎完全一致；在優化方案中，PowerFLOW預測結果也相當好，只是在高頻部分相對于實驗出現了一些截斷的誤差。這主要是由于襟翼兩端打孔的尺寸非常小，需要更細的網格才能捕捉更準確的高頻信息。
圖片來源：AIAA 2015-2988
03 整機噪聲
除了上述部件級的噪聲研究，NASA也借助PowerFLOW針對灣流G3的整機氣動噪聲進行了廣泛的分析。除了基礎機型外，對自適應襟翼、主起落架整流罩、起落架空腔處理也進行了系統的飛行測試和仿真分析。尤其是在飛行測試之前，使用PowerFLOW進行了盲算。實驗和仿真結果對比表明，PowerFLOW仿真的聲壓云圖以及遠場噪聲頻譜與測試結果基本一致。下圖給出了基準方案在2000Hz的聲壓云圖對比，后續會以專題的形式對該項目展開更詳細的解讀。
展開 HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
P-FSI案例
海洋工程上采用的圓柱形斷面結構物，在洋流沖刷下產生周期性脫落的旋渦，由此產生脈動壓力，引發結構的周期性振動，這種規律性的管體振動反過來又會改變旋渦的頻率。如果卡門渦頻率和結構模態吻合，振幅會達到最大。這種現象也稱為“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。
安裝了擾流片的海工結構
AcuSolve的ALE動網格
圓形截面管振動幅度較大
安裝擾流片改變了卡門渦頻率，從而減少了結構振幅
射流主動控制技術
除了安裝擾流片，也可以在結構的表面安裝射流裝置，同樣可以改變卡門渦的頻率，從而破壞VIV的“吻合”效應。
圓柱繞流的卡門渦
無射流控制
有射流控制
流體側向力的時間歷程曲線
無射流控制（藍色），有射流控制（紅色）
大型的結構或建筑也要考慮風載荷的激勵。一方面改變風渦脫落頻率，或者通過安裝加強筋，配重等手段改變結構的固有頻率，避免嚴重的VIV現象。
案例：風力發電機的葉片在強風下產生顯著變形，不僅會改變葉片的空氣動力學性能，如果翼尖變形量過大，甚至會影響塔架安全。
展開 卡門渦街下懸臂梁的振動 ￥500
這種現象稱為卡門渦街流，渦流從物體兩側交替脫落，其頻率可預測。日常生活中我們經常會遇到這種現象，例如電話線上發出的聲音以及汽車無線電天線在氣流中的振動。從工程的角度而言，重要的是預測流體在不同流速時的振動頻率，從而避免固體結構振動時與渦脫落產生共振。例如，為幫助減少此類效應的產生，設備工程師們在高煙囪的上部放置了一個螺旋形減振裝置；由此產生的形狀變化阻止了渦流從煙囪不同位置脫落時對其結構產生的干擾。</p><p>本案例展示了一圓柱繞流形成的卡門渦街流與一懸臂梁形成耦合振動的過程，模擬結果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202212/cc024e6ec4474e71a9b752e7393daddd.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p>感興趣的朋友，可以下載模型源文件，歡迎交流</p><p><br></p>
展開 【浸入運動邊界算法】一種改進的浸入運動邊界算法
圖 4 b = 3 時，基于改進權重函數得出的不同γ下預測速度與精確解對比
振動圓柱繞流
圖 5 展示了動態穩定后圓柱運動到最下端的渦量場，圖 5（b、c）中的尾渦分布較為均勻和規則。由圖 5（a、d）可以看出：當圓柱振動頻率偏離自然渦脫落頻率較遠時，圓柱后方尾渦將不再對稱，振動頻率越高，脫落的渦尺寸越大。
圖 5 圓柱振動到最下端時尾部渦量圖（Re = 100、A/D= 0.25）
圖 6 為穩定后，不同振動頻率下圓柱升力和阻力系數的隨時間演化曲線及升力系數的能量譜結果。由圖 6（a）可知，當 k = 0.5 時，CL 曲線中高幅值波和低幅值波交替出現，即拍頻現象，能量譜呈現雙峰形態，此時升力同時由 fe 和 f0 控制，主控頻率為 f0，圓柱處于鎖頻區間之外；k = 0.9 和 k = 1.1 時，升力系數隨時間的演化曲線不再由 f0 控制 ，而是鎖定在fe 附近，此時處于鎖頻區間內。由圖 6（d）可知，k =1.5 時，升力系數曲線再次出現拍頻現象，主控頻率為 fe，處于鎖頻區間外。
圖 6 A/D = 0.25 時，不同振動頻率下圓柱阻力系數和升力系數隨時間的演化及升力系數的能量譜
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展開 分享：渦激振動VIV
對于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結構物，這種交替發放的瀉渦又會在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動壓力。如果此時柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發生彈性變形，那么脈動流體力將引發柱體(管體)的周期性振動，這種規律性的柱狀體振動反過來又會改變其尾流的瀉渦發放形態。這種流體一結構物相互作用的問題被稱作“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。
在處理渦激振動問題時，把流體和固體彈性系統作為一個統一的動力系統加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個問題的重要關鍵。在渦激振動過程中，流體的動壓力是一種作用于彈性系統的外加載荷，動壓力的大小取決于彈性系統振動的位移、速度和加速度;另一方面，
流體動壓力的作用又會改變彈性系統振動的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質表現為流體對于彈性系統在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現象。
由慣性耦合產生附連質量，在有流速場存在的條件下，由阻尼耦合產生附連阻尼，由彈性耦合產生附連剛度。流體的附連質量、阻尼和剛度取決于流場的流動特征參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統的特性，其關系式相當復雜。用實驗或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。實驗證明，漩渦的發放頻率f可用無量綱參數斯特勞哈爾數St（Strouhal Number）來表示，表達式為：
f=St*V/D
St是構件剖面形狀與雷諾數Re的函數，其定義式為St=D/（V*T）。
其中：V為垂直于構件軸線的速度（m/s）；
D為圓柱直徑或柱體的其他特征長度（m）；
T為相關的特征時間（s）。
目前，主要的研究方法有三種：
1，實驗方法
瀉渦脫落引發的渦激振動是一個多物理場耦合，相互作用的復雜過程。
展開 CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
P-FSI案例
海洋工程上采用的圓柱形斷面結構物，在洋流沖刷下產生周期性脫落的旋渦，由此產生脈動壓力，引發結構的周期性振動，這種規律性的管體振動反過來又會改變旋渦的頻率。如果卡門渦頻率和結構模態吻合，振幅會達到最大。這種現象也稱為“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。
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安裝擾流片改變了卡門渦頻率，從而減少了結構振幅
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除了安裝擾流片，也可以在結構的表面安裝射流裝置，同樣可以改變卡門渦的頻率，從而破壞VIV的“吻合”效應。
展開 
CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
P-FSI案例
海洋工程上采用的圓柱形斷面結構物，在洋流沖刷下產生周期性脫落的旋渦，由此產生脈動壓力，引發結構的周期性振動，這種規律性的管體振動反過來又會改變旋渦的頻率。如果卡門渦頻率和結構模態吻合，振幅會達到最大。這種現象也稱為“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。
安裝了擾流片的海工結構
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射流主動控制技術
除了安裝擾流片，也可以在結構的表面安裝射流裝置，同樣可以改變卡門渦的頻率，從而破壞VIV的“吻合”效應。
展開 橋梁渦激振動問題的ABAQUS數值模擬
許多土木工程領域的學者首先指出，這應該是比較常見的大跨度橋梁的渦激振動，對橋梁的破壞并不劇烈。然而，許多自媒體引用了1940年塔科馬大橋的倒塌事件來說明渦激振動的嚴重性和破壞性。簡單搜索一下"渦激振動"、"卡門渦街"和"塔科馬大橋"，就會發現"卡門渦旋誘發了結構失穩，顫振是塔科馬大橋倒塌的原因"這一描述。
當流體在障礙物周圍流動時，會發生周期性的渦脫落，這就產生了所謂的渦街。由于馮·卡門（美國航天之父，錢學森的導師）最先研究該現象，故被命名為卡門渦街。卡門渦街在自然界中經常出現，經典的圓柱障礙物卡門渦街數值模擬，對理解卡門渦街對各種技術應用很有意義。
圖1 圓柱障礙物的卡門渦街模擬圖
實際上，如圖2所示流體在繞過不同形狀障礙物時的表現不完全一樣，簡單用圓柱形狀對障礙物進行簡化是不準確的。因此，卡門渦街的工程分析需考慮研究對象真實的幾何形狀，獲得的模擬結果結合風洞試驗可為工程實踐中橋梁結構設計提供有效的指導。
圖2 流體繞過不同障礙物的卡門渦街模擬圖
2. 研究對象
以某懸索橋梁為研究對象，三維的橋梁可以簡單看作橋梁橫截面在縱向上的拉伸，因此簡化為如圖3所示的二維問題。
圖3 某懸索橋梁的橫截面
3. 有限元建模
采用<a href="/major/ABAQUS CFD模塊進行建模和計算，懸索橋梁在持續8級強風（速度20m/s）作用下的渦激振動有限元模型如圖4所示，邊界條件如圖5所示。
圖4 橋梁渦激振動的有限元模型
圖5 橋梁渦激振動的邊界條件
4. 計算結果
速度場計算結果如圖6所示，在橋梁上下選擇兩個對稱點測量速度隨著時間的變化如圖7所示。
圖6 橋梁渦激振動的計算結果
圖7 橋梁上下某兩個對稱點的速度演變
5.
展開 FLUENT批處理技巧：讓你的工作變得有樂趣
當流動雷諾數小于第一臨界值的時候，圓球繞流的尾跡是軸對稱的；當雷諾數增大到位于第一臨界值和第二臨界值之間的時候，流動發生失穩，尾跡變為非軸對稱的，但是仍然是定常流動；當雷諾數增大到大于第二臨界值的時候，流動再次發生失穩，出現非定常的渦脫落現象。
圖6 Re=100時的速度分布
圖7 Re=300時的速度分布
來源：流體的那些事兒（ID：happyfluid）轉載分享
貓頭鷹翅膀給風電機組降噪帶來的啟發
圖2 槳葉尾流示意圖
圖3 槳葉掃風噪聲1/3倍頻譜
槳葉降噪技術研究與應用
仿真分析發現槳葉掃風噪聲主要來源于槳葉尾緣，而模仿貓頭鷹翅膀的鋸齒尾緣可以有效的降低氣動噪聲，鋸齒尾緣可產生反向渦流，改變槳葉后緣的尾跡渦的脫落位置及尺度，抑制脫落渦的擾動，進而減少槳葉后緣附近的非定常壓力脈動和尾跡渦引起的氣動噪聲。
圖4 鋸齒結構風洞試驗
圖5為對某風電場的1.5MW機組進行了批量降噪優化，按照《IEC61400-11 Acoustic noise measurement techniques》進行了技改前后噪聲測試。測試結果表明：降噪鋸齒條可有效降低風力發電機組噪聲，不同風速下的A計權聲功率級降低1.7～3.2dB，同時噪聲脈動 (AM) 降低約1dB (A)，極大地降低了風力發電機組對附近居民的噪聲影響強度和煩惱程度。
圖5 尾緣鋸齒結構
圖6 鋸齒條降噪效果
可控噪聲運行模式研究與應用
研究表明，槳葉旋轉噪聲與轉速的5次方成正比，故降低風輪轉速可有效降低風電機組噪聲。通過研究和仿真，我們開發了可控噪聲運行模式控制系統，每個運行模式設置一個額定轉速，可根據不同時間、不同季節、不同地域的政策要求和噪聲限值要求實現噪聲的主動控制，同時優化槳矩角控制策略，最大限度降低發電功率的損失。
圖7 降噪模式轉速控制示意圖
來源：運達風電
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