強渦流的案例
基于v2-f 湍流模型模擬強自由渦流
本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內的強渦流運動，仿真結果如圖所示：
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雷電電磁設計及仿真
a模型及路徑分析
b電勢分布 c電場分布
圖1雷擊附著仿真
強電磁脈沖仿真 ：
雷電流流過設備，因設備存在一些尖銳金屬結構或狹窄縫隙等，會產生強電磁脈沖，對設備內部電磁儀器有造成威脅，嚴重時會癱瘓電子設備。
考察時對設備內部空間所有地方進行電磁場仿真計算，劃分內部電磁場強弱區域及等級。找出強場強區域，分析強場強區域的波形是否突變，若沒有突變設計合理；若有突變，分析周圍結構、縫隙等是否合理。分析結束后制定相應的防護措施。
圖2為某設備內部因雷電產生的強電場脈沖仿真波形。
圖2某設備內部產生的電場脈沖
局部強渦流/過熱(點火源)仿真 ：
一般由于局部阻抗過高，導流不順暢，導致電流不能夠及時導走，電荷聚集發熱，有可能局部溫度過高，會對設備局部造成熔蝕或成為燃油蒸汽的點火源多數情況下局部強電流和過熱是伴生關系，所以可以一起考察。
展開 不要讓渦流繩束縛您的水輪機
渦流繩的頻率通常在轉輪轉速的 30% 到 50% 范圍內。
圖 2. 渦繩出現在水輪機的尾水管中。
如圖 2所示，渦流繩會導致尾水管中出現壓力脈動，從而導致結構振動、功率波動和脈動壓力恢復，這是水電行業的一個主要問題，因為它們會導致系統性能降低或限制渦輪機的工作范圍。因此，準確模擬渦繩并分析相應的壓力波動至關重要。
解決方案
使用 CFD 模擬分析設計和非設計條件下的渦輪機性能變得非常容易。第一步，應在穩態條件下模擬渦輪機設計以研究效率點。然后，在非設計條件下對其進行模擬，以可視化流動中的渦流。尾水管中的渦流以低壓區域為特征，可以通過速度流線（圖 3）或靜壓等值面來觀察。根據用戶輸入的準確性和湍流模型的選擇，可以將渦繩建模為接近文獻值的頻率。為了改進渦繩建模的結果，特別是捕捉強渦流，雷諾應力方程模型 (RSM) 被推薦。
圖 3. 速度流線顯示水輪機內的渦繩。
另一種可視化流動中渦流的方法是使用 Q 準則（它定義渦量大小大于應變率的渦流）。對于相同的幾何形狀，可以應用多個設計條件，例如，使用相同的網格生成和模擬設置的葉片的多個開口，以節省大量時間。
Omnis 平臺的用戶利益
Cadence Omnis 是一個端到端平臺，可在一個環境中對渦輪機械應用進行網格劃分、仿真和分析。Omnis 為渦輪機械應用提供簡化的工作流程，包括行業最佳實踐。可以在同一個 Omnis 項目中生成和組合單個幾何體的結構化和非結構化網格。如圖 4所示，對于水輪機，尾水管的非結構化網格在 Omnis Hexpress 上執行，而葉輪和導葉的結構化網格在 Omnis Auto Grid 上執行。
展開 弧形屏蔽結構對變壓器漏磁改善作用分析
在變壓器工作過程中，油箱內部產生一定的漏磁作用[12]，對兩種屏蔽結構在油箱上產生的磁通密度及電渦流密度進行仿真計算。
2 變壓器油箱弧形屏蔽結構仿真結果分析
采用ANSYS Maxwell軟件對兩種屏蔽結構磁密度作用進行仿真計算，得到兩種屏蔽結構的磁通密度分布如圖2所示。從圖2中可以看出，通過在油箱后壁的表面鋪設屏蔽鋼片，可將變壓器中由繞組、油箱及變壓器組成的閉合磁路改變為大部分經過繞組、變壓器油質及屏蔽結構進行閉合，減小了對油箱的作用，即屏蔽結構的磁阻作用減小了油箱的漏磁，兩種屏蔽結構對油箱后壁位置均有較好的屏蔽效果。對比兩種屏蔽結構的磁通密度分布云圖可以看到，在常規的矩形屏蔽結構中進行屏蔽處理后，在屏蔽的邊緣具有磁通密度集中的現象，而圓弧形屏蔽結構不存在這種磁通密度集中的現象，矩形屏蔽結構的最大磁場值為0.19 T，而圓弧形屏蔽結構的最大磁場值為0.11 T，圓弧形屏蔽結構可減小最大磁通密度達50%。圓弧形屏蔽結構對油箱的磁通密度具有較好的改善作用，消除了矩形屏蔽的磁通密度集中現象，并可降低最大磁通密度值50%，減小了油箱的漏磁及溫升作用。
圖2 油箱磁通密度分布云圖
采用ANSYS Maxwell軟件對兩種屏蔽結構電渦流作用進行仿真計算，得到兩種屏蔽結構的電渦流分布如圖3所示。從圖3中可以看出，采用矩形屏蔽結構對油箱的漏磁具有一定的改善作用，但由于屏蔽邊緣磁通密度集中造成屏蔽邊緣具有較強的電渦流聚集，容易造成局部的高溫區，對變壓器的效率改善作用不大；采用圓弧形屏蔽結構得到電渦流分布從中間逐漸過渡到兩側，沒有電渦流聚集的現象，油箱的溫度變化均勻，降低了電渦流密度，對變壓器的損耗較小，降低了最高點的溫度，可有效地改善變壓器的效率。
展開 
CFD學習：尾渦湍流
產生的渦流很強，會對附近飛行的其他飛機造成湍流影響。因此，尾渦湍流的研究對于制定確保飛機安全和效率的策略至關重要。
在本文中，我們將討論飛機中的尾渦湍流以及計算流體動力學 (CFD) 在深入了解此類湍流效應背后的物理學方面的作用。
尾渦湍流及其影響
在飛機中，機翼產生升力時會產生尾渦湍流。在飛行過程中，機翼的上表面和下表面之間存在壓力差，從而使飛機保持在空中。空氣在機翼上表面流動得更快，與機翼下表面相比產生較低的壓力。為了平衡壓力差，沿機翼下表面的空氣被向上吸入，圍繞翼尖流動，形成氣團循環模式。這是尾隨飛機后方的 渦流。
由于風和重力，這些渦流或主尾流下沉并遠離飛行路徑。下沉運動導致渦流與周圍空氣相互作用，導致湍流。對于遵循相同飛行路徑或近距離飛行的其他飛機來說，與尾渦相關的湍流可能是一個主要的安全問題。在較小的飛機靠近較重的飛機的路徑的情況下尤其如此，因為機翼產生的升力更大，產生的渦流強度更大。
尾渦湍流的影響
尾渦湍流對飛機性能的影響
影響
原因
結果
降低升力
尾渦湍流與空氣混合
升力損失、推力增加、油耗增加
增加阻力
湍流引起的邊界層分離
空速損失、推力增加、燃油效率降低
橫滾和俯仰力矩
渦流引起的滾動和俯仰效應
高度或垂直速度的變化
降低升力
尾渦湍流在飛行過程中留下擾動的空氣痕跡，擾亂后續飛機的氣流并導致升力產生減少。
展開 煙道內活性炭及消石灰粉末噴射均勻性模擬分析
3 結果分析
3.1 氣流場分析結果
由于要進行粉末顆粒噴射口的定位，首先要知道煙道內流場的分布情況，在合適的流場區域進行粉末顆粒噴射有助于其快速分布均勻，流場的分布如圖3所示：
圖3 整體流線圖
圖3中截面1附近區域存在明顯的過高風速，氣流場分布在煙道斷面上為上高下低，且從流線整體運動趨勢看，煙道內形成左右對稱的兩個螺旋渦流（見圖3截面1速度矢量圖）。在煙道與脫硫灰斗對接處區域渦流強，速度變化劇烈，隨后沿煙道長度逐漸減弱、平順。因氣塵兩相旋流中塵粒在流道內不具有獨立運動的能力，它依靠氣流作用而發生運動[4]。
3.2 原始工程項目噴射點分析
對原工程項目的活性炭和消石灰粉末進行單獨模擬分析。
3.2.1 活性炭粉末噴射點分析
圖4 原始狀態下活性炭粒子擴散圖
圖5 出口（outlet）截面上活性炭粒子分布圖
由圖4粒子擴散圖可以看出，原始的活性炭粉末噴射管由于伸入煙道內部較淺，小于250mm，導致其活性炭粉末噴出后主要受到煙道內部單側渦流的影響從而主要分散于煙道一側，從圖5粒子斷面分布圖可以明確看出，煙道出口截面上的粒子分布只集中于左側。粉末若出現在對接處區域附近，將大概率跟隨主渦流運動直至煙道出口，很難進行后續分離擴散，因此活性炭及消石灰粉末的噴射點應避免出現在該位置。
3.2.2 消石灰粉末噴射點分析
圖6 原始狀態下消石灰粒子擴散圖
圖7 出口（outlet）截面上消石灰粒子分布圖
由于消石灰噴射管伸入煙道內深度、高度與活性炭噴射管一致，圖6、圖7的消石灰粒子擴散和粒子分布圖幾乎與活性炭的分布一致，說明雖然粉末顆粒的比重和噴射量不同，煙道流場對其的影響也是一致的。
展開 廖健等：潛艇操舵系統噪聲綜述
Responses to vibration changes caused by overshoot
4.2.2 紊流和設備元件流體部分的強渦流噪聲
管路中油液流速過快或者閥類元件界面劇變，使得系統雷諾數Re超過臨界值，管路中流態由平穩層流變為紊流，從而形成分離流和強渦流，造成流體與結構碰撞加劇，引起強烈振動。雷諾數是用來表征流體黏性影響的準則數，雷諾數較小時，表明流體受到的黏滯力更小，流態更穩定。雷諾數為
式中：d為管路直徑；Q為流量；μ為黏性系數。
因此，降低此類噪聲主要是降低雷諾數，保證管路中流態的穩定。管路直徑確定時減小油液流速，以及流量確定時增大管路直徑，均能降低臨界雷諾數。還可通過優化各類閥件及管路流道設計，避免出現剖面等劇變情況，使流態保持穩定。
4.2.3 管路振動噪聲
管路本身不是噪聲源，管路振動是由系統壓力脈動和外部機械振動干擾所造成的，特別是當系統壓力脈動頻率與管路的固有頻率相等或接近時，管路會發生共振，產生劇烈的結構振動。
操舵液壓系統管路是一個整體系統，單獨分析關注區段管路的模態頻率意義不大，各部件上彎頭、卡箍支撐、敷設阻尼材料、增加閥門等狀態改變均可引起管路系統的模態頻率變化，因此基于整體管路系統的模態分析難度較大。為降低管路振動噪聲的影響，主要通過合理設計管路避開共振點，避免復雜的管路布置及增大管路阻尼減小壓力脈動激起的管路結構振動等措施實現[26]。
展開 汽車流場數值模擬及優化設計
4.3 優化仿真結果分析
圖15所示為對稱面上汽車速度矢量圖，我們可以發現在車尾部形成了兩個漩渦,在車頂處產生的渦流是順時針方向；在靠近地面處的渦流是逆時針方向。在靠近地面處之所以會產生逆時針方向的渦流，是由于汽車底部比尾部的壓強高很多，當汽車尾流流入時會產生倒流；車身上部的順時針漩渦是由于車頂表面的氣流在車頂末端處瞬間流入了自由邊界層，因為沒有安裝擾流板和導流板，所以氣流沿車身尾部以非常大的速度向下運動，聯想到上文講到的負升力翼原理，我們就知道此時車尾受到了一個很大的升力，輪胎的附著力就會很低，從而汽車的安全性失去了保障。在圖15中可以看出車尾部形成了兩個比較強的渦流，通過兩個渦流相互作用使氣流向上卷揚并在車后匯合,這過程因為大量消耗能量,所以會產生很大氣動阻力。從圖15中我們還可以看出正是因為擾流板對車身尾部氣流的分離，降低了車尾上方氣流運動速度，此時在車尾處產生了向下的壓力，從而提高了汽車行駛的安全性。
圖15 優化后的汽車對稱面速度矢量圖
Fig.15 car symmetry plane velocity vector diagram after optimized
圖16所示為改進后的汽車對稱面壓力云圖，將其與圖8進行對比分析，從兩個壓力云圖的分析比較中我們可以很明顯地看到在安裝擾流板的汽車模型尾部上方產生了一個正壓力區，而下方產生的是負壓力區，從而降低了汽車尾部的升力，提高了汽車行駛過程中的安全性和操縱性。
圖16 優化后的汽車對稱面壓力云圖
Fig.16 optimized car symmetry plane stress nephogram
我們還可以通過對是否安裝擾流板的汽車模型尾部阻力和升力的比較來分析他們尾部流場的變化情況，從而得出結論。
展開 空氣動力學在汽車造型設計中的運用
船型汽車尾部過分向后伸出,形成階梯狀,在高速時會產生較強的空氣渦流。為了克服這一缺陷,人們把船型車的后窗玻璃逐漸傾斜,傾斜的極限即成為斜背式。由于斜背式汽車的背部想魚的脊背,故被稱為“魚型汽車”(圖5) 。
魚型汽車的背部和地面的角度比較小,尾部較長,圍繞車身的氣流比較平順,渦流阻力較小。同時,其側面的形狀阻力也較小。但由于其造型關系,在高速時會產生一種升力,使車輪附著力減小,從而抵擋不住橫風的吹襲,發生偏離的危險。為了克服這一缺陷,可以將其尾部截短,也可以在尾部安上一只翹翹的“鴨尾”,以克服一部分升力。
(6) 楔型汽車。
為提高汽車在高速行駛時的安全性,在減小空氣阻力的同時,利用空氣動力規律改善汽車行駛穩定性也成為研究的重要課題。車身發展成為楔型就是追求空氣動力性能的有效措施。楔型汽車將車身整體向前下方傾斜,車身后部象刀切一樣平直,這種造型能有效地克服升力。從空氣動力學的角度來看,楔型汽車(圖6) 造型已接近理想的造型,這種空氣動力性優化的汽車成為80 年代車身造型的主導方向。
空氣動力學在車身造型上的應用
根據車身造型的發展情況可以看到,空氣動力學原理在車身造型設計中的應用已經成為造型構思的重要依據。為了減少空氣阻力系數,現代轎車的外形一般用園滑流暢的曲線去消隱車身上的轉折線。
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