圆柱绕流被动控制数值研究

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流固耦合导致结构受损破坏在各个领域都普遍存在。流体会在一定的雷诺数范围产生规则的旋涡脱落,诱发顺流体方向和垂直于流流方向的作用力,长期反复的作用力会导致结构物损伤或疲劳破坏,因此,有必要对绕流流动控制减阻问题进行研究。本文基于CFD流体力学计算平台—Fluent计算软件,对雷诺数Re=3900下波浪型圆柱体结构和附属小圆柱围绕主圆柱体结构的三维绕流问题进行数值模拟研究。主要分析波浪型圆柱体结构的波长比与波幅比两种参数对柱体流场流动控制的影响。另外,附属小圆柱围绕主圆柱体结构的研究主要针对附属小圆柱的个数n、附属小圆柱与主圆柱的直径比d/D、以及附属小圆柱与主圆柱的壁面间距比G/D,附属小圆柱圆心连线与来流之间的夹角α这几种参数对圆柱体的流场流动控制的影响。对各工况受力情况和流场特性进行分析,为实际工程提供一定的参考依据。本文的主要研究工作如下:(1)对雷诺数为Re=3900条件下,波浪型圆柱体结构的三维绕流问题进行了数值模拟。主要研究波长比λ/D_m和波幅比a/D_m这两个关键参数圆柱体结构力响应的影响,并揭示涡脱落控制规律,探索流场演变特性。研究结果表明:在阻力系数方面,波浪型圆柱波长比存在最不利值λ/D_m=2.75,其余波长比工况均有较好的减阻控制效果,而波幅比也存在最不利值a/D_m=0.05,其余波幅比工况均均有较好的减阻控制效果。相比于等截面单圆柱,波浪形圆柱绕流的流体在结构上的边界层会延迟分离。波浪形圆柱的波长比由1.8逐渐增大至5.0时,柱体表面二次涡逐渐消失。而随着波幅比增大,尾涡抑制效果更好,涡分量ω_x向尾流区的扩散与转换量会减少。(2)对雷诺数Re=3900下两个附属小圆柱围绕主圆柱体结构的三维绕流问题进行数值模拟。主要研究附属小圆柱与主圆柱的直径比d/D、以及附属小圆柱与主圆柱的壁面G/D间距比、方位布置角α三种参数对圆柱体的流场流动控制的影响,并揭示涡脱落控制规律,探索流场演变特性。研究结果表明:在阻力系数方面,附属小圆柱的方位布置角存在最不利角度α=90°,附属小圆柱的间距比G/D=0.05~0.2范围内的工况影响较大,而在G/D=0.2~0.5范围内工况对阻力系数影响不大。涡脱落的频率数在方位布置角α=15°和α=30°时频率数较大,其余的方位布置角的斯托罗哈数均接近单圆柱工况,随着间距比增大,斯托罗哈数接近单圆柱工况。对称布置两个附属小圆柱对主圆柱的表面涡的拉伸与转化产生的机理有较大的影响,会增加涡量扩散强度,总体控制涡空间变化的效果较好。相比于与其他两个参数,附属小圆柱对称布置的方位布置角,对处于流固耦合场的尾流影响更大,流动控制最佳方位布置角为α=0°。(3)对雷诺数Re=3900下四个附属小圆柱围绕主圆柱体结构的三维绕流问题进行数值模拟。主要研究附属小圆柱与主圆柱的直径比d/D、以及附属小圆柱与主圆柱的间距比G/D、方位布置角α三种参数对圆柱体的流场流动控制的影响,并揭示涡脱落控制规律,探索流场演变特性。研究结果表明:在阻力系数方面,对称布置四个附属小圆柱的方位布置角存在最不利值α=0°。斯托罗哈数在间距比G/D=0.05时较小。相比于单圆柱工况,对称布置四个附属小圆柱对主圆柱表面涡的拉伸与转化机理的产生有较大的影响,控制涡空间变化的效果较好。相比于与其他两个参数,附属小圆柱对称布置的方位布置角α,对处于流固耦合场的尾流影响更大,流动控制最佳方位布置角为α=45°。
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