圆柱绕流的数值模拟及稳定性研究

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本文运用计算流体力学(CFD)的方法,计算了二维不同雷诺数工况下的圆柱绕流流动。用层流的方法分别计算了无限域中Re=26,100和两平行平板间Re=40,100工况下的圆柱绕流流动。用大涡模拟(LES)的方法分别计算了无限域中Re=200,400和无限域中具有二次涡街的Re=200工况下的圆柱绕流流动。而后用能量梯度理论研究了以上计算得到的流场的稳定性,通过研究发现得出了如下结论:(1)验证了能量梯度理论关于压力驱动流动的稳定性判定准则,即对于压力驱动流动,湍流转捩的充要条件是流体流动的时均速度剖面中存在拐点。(2)验证了能量梯度理论关于剪切驱动流动的稳定性判定准则,即对于剪切驱动流动,湍流转捩的充要条件是流体流动的时均速度剖面中存在零速度梯度。(3)对于两平行平板间和无限域中没有卡门涡街情况下的圆柱绕流流动,圆柱后附着的两个尾涡对流场流动的稳定性没有影响,即对于卡门涡街的形成没有影响。(4)对于两平行平板间的圆柱绕流流动,圆柱尾迹中旋涡的脱落源于圆柱近尾迹中的绝对不稳定性和圆柱两侧的剪切层的相互作用;而对于无限域中的圆柱绕流流动,流场的不稳定性源于圆柱两侧剪切层的不稳定性。(5)对于尾迹中具有卡门涡街的圆柱绕流流动,无论是压力驱动流动还是剪切驱动流动,在圆柱的尾迹中,都是卡门涡街的涡内部最先发生失稳。且其失稳的机理是由于涡内部分别对应于时均速度剖面中的拐点(压力驱动流动),和时均速度剖面中的零速度梯度(剪切驱动流动)而引起的。(6)在圆柱的尾迹中,初生涡街的衰减至消失,都是由流场中的机械能量梯度控制的;在圆柱的远尾迹中,流场中能量梯度函数值的变化及其和扰动的相互作用是造成二次涡街形成的内在物理原因。(7)能量梯度理论可以适用于流体的稳定性研究,包括流体由层流转捩为湍流或者流体流动状态的转变,如流体从无涡街状态失稳后形成涡街等。
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