海豹胡须柱尾迹的三维SPOD分析

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圆柱后的涡脱落在较宽的雷诺数范围内都会发生,这会引起严重的结构振动、声噪和共振,平均阻力和升力脉动会显著增加。因此,涡脱落的有效控制在工程应用中具有重要意义,许多主动和被动的控制方法都被用来解决这一问题。其中,利用仿生学的被动控制方法在近些年得到了广泛应用。前人的研究表明海豹胡须的特殊几何形状可以有效的抑制涡激振动,但关于海豹胡须柱的研究多集中在低雷诺数下,关于高雷诺数下的海报胡须柱尾迹特点研究鲜有涉及。因此,本文以Re=2×10~4的海报胡须柱尾迹为研究对象,采用LES方法计算了其尾迹流场,并计算了相同雷诺数下的圆柱流场作为对比。结果显示海豹胡须柱的尾迹呈现强烈的三维特征,具有固定的三维流动分离线,更长的涡脱落长度,更弱的涡脱落以及其相互作用。其平均阻力和升力脉动比圆柱的分别低了36.91%和83.21%。同时,本文采用SPOD(Spectral Proper Orthogonal Decomposition)方法对海豹胡须柱尾迹的三维速度场进行模态分解,重点分析了三维模态等值面,模态能量,模态系数以及重构流场。结果表明:由于海豹胡须柱独特的几何结构,使得其鞍面(St≈0.23)和节点面(St≈0.31)的涡脱落频率不同,并且上下鞍面的涡脱落也有细微的差别,从而在尾迹中形成了三种典型的流动特征。前两种流动特征是鞍面涡脱落占主导的流动特征,分别是上下鞍面异步和同步的涡脱落,当流动处于这一流动特征时,特征频率在S_t=0.23附近,并且这两种流动特征会由于其上下鞍面涡脱落频率的微小差异而发生转换。第三中流动特征是节点面涡脱落占优的流动特征,特征频率在S_t=0.31附近,体现为节点面单独的涡脱落现象,这主要发生在节点面涡脱落超过鞍面涡脱落半个周期的时候。在这些流动特征中,第一种为海豹胡须柱尾迹的主要流动特征,且由于其上下鞍面的异步涡脱落特征,会产生升力脉动互相抵消的作用,从而使得升力脉动有所降低。
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