圆柱绕流问题的计算机数值模拟研究

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圆柱绕流一直以来就是流体力学领域的经典问题之一,在实际工程中圆柱绕流现象也普遍存在,例如桥墩,海洋作业平台,电厂冷却塔等。近年来随着深海油气的开发,海底管道的铺设常常采用多圆柱体系统,由于采取较为密集布置方式的多圆柱系统在流体的作用下,极易产生结构体损坏,尤其是当圆柱的固有频率与旋涡的脱涡频率十分接近时,在很大程度上会引发共振现象,加速圆柱结构的疲劳损坏。在目前的工作中,单圆柱和双圆柱布置方式的绕流问题已经得到广泛而深入的研究,但关于更多布置方式的多圆柱绕流问题的相关研究则较少,所以本文选取等距错列布置形式的七阵列圆柱和等距正四边形布置形式的九阵列圆柱进行数值模拟研究,本文为研究多圆柱复杂构造的流动特性提供参考。本文基于有限元分析方法求解动量方程和质量守恒方程,对Re=200和间距比L/D=1.1-5的层流状态下的多圆柱绕流进行数值模拟研究,主要分析了不同间距比下柱群尾流流态,依据流体动力学特性和涡街分布情况,对尾流模式进行分类,并计算了每一个圆柱的升阻力系数和斯特劳哈尔数,结合流态变化分析了参数变化原因。给出了不同间距比下的尾流流场结构,通过分析发现尾流结构的变化与尾流模式的转换密切相关。本文选取尾流流场中的采样区域,将信息熵理论和时间序列分析方法相结合应用于定量分析尾流流场特性。给出了不同间距比下的信息熵变化和时间序列拟合模型,通过分析可为多钝体绕流流场特性研究及其定量衡量流场变化提供了一种可行有效的方法。
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