【摘 要】
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在湍流条件下,圆柱绕流在各种工业应用中具有实际意义,特别是在风和海洋工程领域。因此,了解和控制这些尾流具有极其重要的科学和工程意义。基于Fluent软件,本文采用大涡模拟方法,对Re=3900工况下倾斜多柱体结构群绕流流场控制进行数值研究,并着重分析旋转倾斜单圆柱体绕流、旋转倾斜串列双柱体结构群绕流和旋转倾斜方型布置四圆柱体结构群绕流流固耦合机理。本文主要研究工作如下:（1）研究雷诺数Re=390
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在湍流条件下,圆柱绕流在各种工业应用中具有实际意义,特别是在风和海洋工程领域。因此,了解和控制这些尾流具有极其重要的科学和工程意义。基于Fluent软件,本文采用大涡模拟方法,对Re=3900工况下倾斜多柱体结构群绕流流场控制进行数值研究,并着重分析旋转倾斜单圆柱体绕流、旋转倾斜串列双柱体结构群绕流和旋转倾斜方型布置四圆柱体结构群绕流流固耦合机理。本文主要研究工作如下:（1）研究雷诺数Re=3900工况下,旋转倾斜单圆柱体结构绕流问题,主要分析了倾斜角度和旋转速率两个关键参数对单圆柱体结构绕流特性及力学特性的影响。研究发现:当倾斜圆柱处于静止状态时,圆柱后方出现轴向流,而当倾斜圆柱开始旋转后,轴向流被削弱。同时,随着圆柱转速的增加,圆柱倾斜角度越大,轴向流消失的越快。另外,旋转倾斜单圆柱体阻力系数平均值的独立性原则验证在一定的倾斜角度和转速范围内适用。（2）研究雷诺数Re=3900工况下,旋转倾斜串列双柱体结构群绕流问题,主要分析了间距比、倾斜角度和旋转速率三个关键参数对串列双柱体结构群绕流特性及力学特性的影响,并阐述串列双柱体结构群的互扰效应和力学机制。研究发现:倾斜角度、间距比和旋转速率的变化对串列双柱体结构群绕流特性及力学特性的影响较为显著。随着圆柱间距比的增加,轴向流强度逐渐被削弱。当圆柱旋转后,上游倾斜圆柱的流体力系数均呈减小的趋势,而下游倾斜圆柱的阻力系数平均值和升力系数均方根值呈增加的趋势,升力系数平均值和阻力系数均方根值呈减小的趋势。同时,间距比的变化对倾斜圆柱的流体力系数值影响显著。在倾斜双圆柱旋转的过程中,黏性阻力在流体阻力中所占比例基本上高于压差阻力所占比例,黏性阻力占主导作用。（3）研究雷诺数Re=3900工况下,旋转倾斜方型布置四圆柱体结构群绕流问题,主要分析了间距比、倾斜角度和旋转速率三个关键参数对四圆柱体结构群绕流特性及力学特性的影响,并阐述四圆柱体结构群的互扰效应和力学机制。研究发现:倾斜角度、间距比和旋转速率的变化对四圆柱体结构群绕流特性及力学特性的影响较为显著。在小倾斜角β=30°工况下,倾斜圆柱后方有涡流产生,而在大倾斜角β=60°工况下,由于较强轴向流的影响,圆柱后方没有涡脱落现象产生。另外,随着倾斜圆柱转速的增加,涡脱落逐渐消失,且随着倾斜角度的增大,轴向流强度增大。同时,间距比对倾斜圆柱涡脱落的影响较显著。在相同倾斜角工况下,随着倾斜圆柱转速的增加,大尺度涡结构逐渐破裂重组为小尺度涡结构。同时,由于间距比的增加,倾斜圆柱之间的涡流发展较为充分,涡结构也随之增大。值得注意的是,与小倾斜角工况下相比,在大倾斜角工况下产生的涡结构不再呈现明显的三维效应。同时,随着倾斜圆柱转速的增加,阻力系数平均值呈现增加的趋势,而升力系数平均值呈现减小的趋势。
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