极低雷诺数排柱绕流数值模拟研究

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昆虫是目前地球上数量最多的生物群体,它们的身体结构和飞行特征一直以来都是仿生学和流体力学的重点研究对象。本文以生活在极低雷诺数环境下的微小昆虫刚毛翅膀为研究对象,用排柱绕流模型对其进行数值模拟,进行流体动力学计算分析,研究其在不同间距比、不同雷诺数和排列方式下的流体力学特性,分析升力、阻力、涡量和速度的变化情况。主要研究内容和成果如下:(1)以直线型五椭柱模型为基础,通过改变间距比、排列方式和椭圆柱形状,研究了其对直线型五椭柱模型的整体流体力学性能的影响。研究发现,总阻力与来流角度关系不大,主要取决于间距比;总升力在来流角度为45°左右取得最大值;改变椭圆长短轴之比可以在一定程度上同时增大其总阻力和总升力,使得其整体的流体力学性能有所提升。(2)以来流角度为45°的V字形五圆柱模型为基础进行了模拟,分析了圆柱的阻力、升力、涡量和速度随间距比和雷诺数的变化情况。发现阻力主要受间距比影响,升力同时受间距比、雷诺数的影响,圆柱周围的压力场有顺时针或者逆时针的偏转,与升力方向一致,并验证的有效间距比的同时体现雷诺数和间距比的综合影响。(3)研究了椭柱数量的影响规律。发现在改变椭柱数量的情况下,无论是V字形还是直线形,其阻力和升力的变化以及上限值与五椭柱时规律一致,并且其阻力随椭柱数量增加而均匀增加,与椭柱数量成正比关系。
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