VIV and galloping of single circular cylinder with surface roughness at 3.0×10≤Re≤1.2×10     

Che-Chun Chang  Michael M. Bernitsas 《Ocean Engineering》2011,38(16):1713-1732

Passive Turbulence Control (PTC) in the form of selectively distributed surface roughness is used to alter Flow Induced Motion (FIM) of a circular cylinder in a steady flow. The objective is to enhance FIM's synchronization range and amplitude, thus maximizing conversion of hydrokinetic energy into mechanical energy by oscillator in vortex-induced vibration and/or galloping. Through additional viscous damping, mechanical energy is converted to electrical harnessing clean and renewable energy from ocean/river currents. High Reynolds numbers (Re) are required to reach the high-lift TrSL3 (Transition-Shear-Layer-3) flow regime. PTC trips flow separation and energizes the boundary layer, thus inducing higher vorticity and consequently lift. Roughness location, surface coverage, and size are studied using systematic model tests with broad-field laser visualization at 3.0×10⁴<Re<1.2×10⁵ in the low-turbulence free-surface water-channel of the Marine Renewable Energy Laboratory of the University of Michigan. Test results show that 16° roughness coverage is effective in the range (10°-80°) inducing reduced vortex-induced vibration (VIV), enhanced VIV, or galloping. Range of synchronization may increase or decrease, galloping amplitude of oscillation reaches three diameters; wake structures change dramatically reaching up to ten vortices per cycle. Conversion of hydrokinetic energy to mechanical is enhanced strongly with proper PTC.  相似文献   

南疆西部暴雨过程的动力热力结构分析          下载免费PDF全文

李如琦  李建刚  王江  孙鸣婧  赵克明 《干旱区地理》2018,41(1):9-16

利用常规气象观测资料和ECMWF提供的ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析资料,通过对2012年5月21~23日和2013年5月26~29日南疆西部两次暴雨过程中等熵面特征的对比分析,得到暴雨过程中的动力热力结构模型。结果表明：南疆西部暴雨过程是在中亚低涡系统影响下,高、中、低空急流耦合并叠加地形强迫的综合作用下形成的。中亚低涡前部中高层向东输送的冷空气翻山后下沉,与低层南疆盆地东部向西输送的冷空气汇合抬升,与中层暖空气交汇,同时上升运动加强促使水汽辐合凝结,是降水的重要原因,短时强降水时冷空气强度弱于暖空气,持续性降水时反之。中低层等熵面位涡与降水关系密切。  相似文献   

川贵渝复杂地形下横槽诱发双涡贵州暴雨过程的数值模拟     

程晓龙  李跃清  衡志炜 《气象学报》2021,79(4):626-645

青藏高原大地形作用下,西南复杂地形区暴雨天气预报是一个十分重要和困难的科学问题。应用西南区域数值预报业务模式,结合业务常规观测和非常规观测资料,分析了2014年7月15日至17日发生在四川、贵州和重庆复杂地形下的一次由横槽诱发双低涡的贵州暴雨过程,得到:西南区域模式对这次暴雨过程的数值模拟结果与再分析资料有较好的对应关系,尤其是重现了降雨的落区、强度以及盆地涡与贵州涡的发生、发展过程。在暴雨过程中,两低涡垂直发展深厚,上升运动均伸展至对流层顶。涡度收支方面,盆地涡的发展主要源于涡度方程的散度项,而贵州涡的发展除了受散度项的显著影响外,平流项也起着重要作用。由于川渝盆地—云贵高原交界处地形、云贵高原横断山脉延伸区局地地形的作用,区域大气气旋式旋转的加强发展诱发了盆地涡和贵州涡。热力结构上,盆地涡的发生、发展在冷、暖气流交汇辐合区域内,而贵州涡则生成在暖区中,其降雨及加强更多地受到动力过程的影响。川渝盆地—云贵高原特殊的北低南高地形使高纬度干冷气流与低纬度暖湿气流交汇,形成强的上升运动,引发了盆地涡发展及其暴雨天气。云贵高原贵州特殊的西高东低地形导致来自低层的暖湿气流只能沿横断山脉边缘绕流,进入贵州西部的偏南气流与来自盆地涡西侧的偏东北气流汇合作用形成贵州涡,引发贵州暴雨天气。因此,局地地形与环流的相互作用是贵州涡生成及其引发暴雨过程的重要原因。   相似文献   

一次华南强飑线过程的数值模拟及后方入流作用诊断     

席乐  闵锦忠  王仕奇 《气象科学》2018,38(6):739-748

利用WRF中尺度模式对2014年3月30—31日发生在华南的一次强飑线过程进行数值模拟。本次飑线过程受高空槽和低涡切变线影响,水汽条件充足,低层垂直风切变较强。模拟结果表明:发展阶段,后方入流缺口开始出现,飑线逐渐呈弓形结构;成熟阶段,飑线后方入流逐渐下沉到地面并延伸至对流区前沿,冷池完全移入残留冷区并加强,配合九连山下坡过程,飑线得以加强。后方入流对本次飑线过程的发展和维持十分重要。后方入流受环境风及中层负压力扰动作用开始形成,随后受对流区后侧中低层涡旋对的影响迅速发展增强而进入发展阶段,反气旋式涡旋的北侧风场促进了后方入流的形成和发展;成熟阶段,气旋式涡旋的南侧风场使后方入流迅速增强。气旋式涡旋区域主要受涡管拉伸作用增长,反气旋式涡旋区主要受涡度倾斜增长作用。涡旋对垂直涡度主要是由低层水平涡度向上倾斜引起,而水平涡度则是由斜压作用产生。  相似文献   

涡旋诱发重联模型(Ⅰ)——动力学特性     

刘振兴  濮祖荫 《地球物理学报》1990,(1)

本文首先从理论上系统地研究了涡旋诱发重联的基本动力学特性.包括:涡旋诱发重联的物理机制;Kelvin—Helmholtz(K-H)不稳定性和撕裂模不稳定性耦合过程;磁流体涡管的基本特性;不同尺度涡旋间的相互作用,动能和磁能间的转化及准稳态时流线、磁力线、等涡度线和等电流密度线的相似性等.用二维MHD数值模拟方法研究了上述一些特性,并与理论分析结论进行了比较.结果表明,模拟结果证实了理论推论.涡旋诱发重联是产生局部磁场重联的重要机制之一,该模型在磁顶区的应用将另文发表.  相似文献   

夏季高原大气热源的气候特征以及与高原低涡生成的关系   总被引：4，自引：1，他引：3  

刘云丰  李国平 《大气科学》2016,40(4):864-876

利用NCEP/NCAR再分析资料和基于此再分析资料的高原低涡统计数据集,采用线性趋势、Morlet小波、EOF分解、合成分析等方法,分析了1981～2010年夏季高原大气热源气候特征以及与高原低涡生成的联系。结果表明:夏季高原大气热源平均强度为105 W m-2,随时间有减弱趋势,具有明显的年代际变化,存在显著的准3年周期振荡。高原低涡高发年,高原大气热源强度明显高于气候态,主要表现为高原大气热源的水平分布差异。在低涡高发年,涡度平流的空间分布和大气经向垂直环流结构显示:高原沿东南向西北存在500 hPa正涡度平流带,为高原低涡生成提供了有利的涡度场。同时,高原大气热源异常的水平分布促使高原上空产生上升气流,有助于高原上形成低层辐合、气旋式环流,整层上升运动,高层辐散、反气旋式环流的三维流场,促进高原低涡在低层生成,此时高原主体低空为正涡度区。并且,大气热源在垂直方向的变化也影响低涡的生成。最后,根据本文结果和我们前期的相关研究,从热成风原理和高原大气热力适应理论两方面对高原大气热源与高原低涡生成频数的统计结果给出了机理解释。  相似文献   

近10a新疆短时强降水湿度层结及大气能量结构特征分析     

毛列尼.阿依提看  玉素甫.木沙  郭品文 《沙漠与绿洲气象(新疆气象)》2017,11(2):43-49

为更好地把握中亚低涡造成新疆短时强降水天气过程的机理特征,利用温度露点温度廓线图(T-lnP图)和大气位温-风矢能量图(V-3θ图)研究了中亚低涡背景下新疆短时强降水的湿度特征和大气能量结构特征。主要结论有:(1)根据对短时强降水T-lnP图及湿度特征的分析统计,将短时强降水分成三类:对流层高低层干而中层湿度大型、对流层中层干燥型、对流层整层湿度都显著型。其中第一类最多,占短时强降水总个例的60%;而第二类和第三类分别占27.5%、12.5%。(2)一般在短时强降水天气发生前V-3θ图特征为:三条θ曲线呈曲折增长;有"顺滚流"结构存在;有"蜂腰"形构造;有较为浅薄的超低温层存在。  相似文献   

Wave–current interaction with a vertical square cylinder     

Pengzhi Lin  C. W. Li   《Ocean Engineering》2003,30(7):855-876

A three-dimensional numerical model is developed in this study to investigate the problem of wave–current–body interaction. The model solves the spatially averaged Navier–Stokes equations. Turbulence effects are modeled by a subgrid-scale (SGS) model using the concept of large eddy simulation (LES). The model is employed to study the wave–current interaction with a square cylinder that is mounted on the bottom and vertically pierces the free surface. The force analysis demonstrates that the presence of waves can reduce both the strength and frequency of vortex shedding induced by a uniform current due to the nonlinear wave–current interaction. The free surface elevation, strain rates of the mean flow, and eddy viscosity are found to closely correlate with the mechanism of vortex shedding. It is also shown that when the vortex shedding is neglected in the calculation such as by the potential flow approach, one may significantly underestimate the magnitude of in-line force. The energy spectral analysis reveals that there exist initiating, growing, and decaying regions for shedding vortices around the cylinder. In the vortex initiating region, both coherent and turbulent structures are nearly two-dimensional that become three-dimensional in the vortex growing region. The kinetic energy of both coherent and turbulent motions is dissipated in the vortex decaying region, within which the mean flow gradually returns back to two-dimensional.  相似文献   

On the response of a free span pipeline subjected to ocean currents   总被引：5，自引：0，他引：5  

G. K. Furnes  J. Berntsen 《Ocean Engineering》2003,30(12):1553-1577

A mechanistic study is performed to examine the coupling between the in-line and the cross-flow motion of a cylindrical structure subjected to current forces. The structure represents a free span pipeline but concerns marine risers as well.A time domain model is formulated in which the in-line and cross-flow deflections are coupled through the axial tension which in turn is computed from the pipeline prolongation at any time. This formulation introduces time dependent tensions and non-linearity into the problem.Preliminary validation of the model simulations vs. physical test data are carried out for one specific case to ensure that the sag and the in-line deflection are correctly resolved by the model. Using this as the initial condition a series of calculations are carried out to examine cross-flow induced deflections induced by an in-line prescribed deflection and vice versa. Finally, an idealistic simulation of flow induced vibration is presented.The model simulations demonstrate that the coupling varies with the mode shape and with which component it is initially introduced into. However, it is evident that the coupling effects may be significant and not negligible.  相似文献   

东北冷涡背景下飑线发展机制的理论分析和数值研究   总被引：2，自引：0，他引：2  

张弛  王咏青  沈新勇  李小凡 《大气科学》2019,43(2):361-371

在CM1模式动力框架基础上,推导出结合尺度分析得到的强对流天气发生发展的必要条件,并选择典型东北冷涡背景下的飑线过程,以200 m的高精度水平网格距进行数值模拟和对比试验,验证理论结果的同时得到东北冷涡飑线形成的条件。通过模式数据做尺度分析,得到飑线系统中平流、对流以及沉降作用对水汽变量的影响最大,飑线的出现需要水汽分布和上升气流的配合,水汽相变影响次之,湍流作用相对较小。东北冷涡不同区域的模拟验证了理论分析的结果,冷涡西南侧受冷涡引导南下的冷空气影响,配合低层暖平流出现不稳定层结,结合有横向梯度的湿度场,可以形成飑线。在上升气流强的区域受水汽浓度和温度的影响在中高层容易形成强的雷达回波,两侧和积分一段时间后的低层受沉降作用的影响也会出现强的雷达回波。  相似文献