论文摘要
研究圆柱绕流的减阻控制对于减小流动诱发振动、提高结构体抗疲劳强度有着非常重要的意义。数值模拟能够克服实验的不足,高效的给出相关流场的具体信息,计算机数值模拟已逐渐成为流体力学强有力的研究工具。本文利用流体力学数值计算方法对圆柱绕流减阻问题进行系统研究。采用有限体积法对二维和三维流场进行求解。本课题首先模拟计算了三维低雷诺数情况下,圆柱绕流尾迹的三维转捩特征,观察到了两种三维转捩模式mode A和mode B。当雷诺数Re>180时,由于卡门涡在涡脱落过程中的变形,出现了流向涡环,其展向尺度大约为3倍直径;当Re>230时,卡门涡的展向尺度变形更均匀,形成更精细尺度的流向涡对,其展向尺度大约为一倍直径,它们分别与经典的Strouhal-Reynolds曲线的两处不连续相对应。然后,本课题对层流情况下Re=200和湍流情况下Re=55000时,针对直径为50mm的圆柱体前端对称布置两个直径均为4mm的附属杆的特定减阻结构体,通过改变附属杆相对于主圆柱之间的角度,研究了附属杆对主圆柱流动升阻力、涡旋脱落频率、涡量和流线图等流场特征的影响,在湍流模拟中选取了标准的k ?ω模型。结果显示:附属杆相对于圆柱的角度位置对圆柱时间平均阻力系数影响较为敏感,存在升阻力系数达到最小,Strouhal数达到最大的最佳角度。当Re=200和Re=55000时,最佳角度位置分别为40°和30°。当Re=200时,较单圆柱分别减少阻力系数,脉动阻力系数及脉动升力系数21%,32%,28%;当Re=55000时,较单圆柱分别减少36%,44%,76%。结果显示该减阻结构体对高雷诺数时流动减阻效果更明显。同时将本文三维数值计算结果与前人的实验以及二维数值计算结果进行了比较,本文三维结果较二维计算结果与实验结果吻合较好。