波流共同作用下旋转振荡圆柱的流场及动力特性的数值模拟

来源 :中国科学院力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:a610735932
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本文以直角坐标系下的原始变量Navier-Stokes方程作为基本控制方程,应用基于非结构同位网格的有限体积法,对波流共同作用下旋转振荡圆柱的流场及动力特性进行了数值研究.对于单圆柱问题,以往普遍采用极坐标系下求解涡量-流函数方程的有限差分方法进行研究.但综合考虑到计算程序对于其他实际工程问题的通用性和可继承性,所以本文首先研究和开发了基于非结构网格的有限体积法.其中对流项采用延迟修正的二阶迎风格式,扩散项和时间项的离散同样具有二阶精度,对于压力-速度耦合利用SIMPLE算法进行处理.通过对方腔驱动流、倾斜腔驱动流和静止圆柱绕流问题的计算,验证了非结构网格有限体积法是准确、高效和强壮的.本文应用此数值方法首先研究了旋转和旋转振荡圆柱放置在均匀来流中的情况,计算了圆柱的尾迹结构和流体的动力载荷.对于旋转圆柱绕流问题,验证了高α数产生稳态尾迹的结论,并且发现随着α数的增大,升力系数超出了Prandtl(1925)所提出的最大值4π.对于旋转振荡圆柱绕流问题,圆柱尾迹主要呈现"同步"、"竞争"和"自然脱落"三种模态.通过对大量不同计算情况下升力系数的频谱分析,定量地获得了圆柱旋转时稳态尾迹出现的临界α数,以及圆柱振荡情况下不同尾迹涡脱落模式的准确划分,并分别给出了上述两种情况下不同模式的分区图.本文将余弦振荡流作为波浪的模型简化,把波流组合看成振荡流与均匀流的叠加.在计算了振荡流绕静止圆柱的流动情况之后,本文研究了波流共同对静止圆柱的作用问题.发现随着波流强度比的增大,流场结构逐渐由不对称变成对称,最后发展成卡门涡街.通过对升力系数中各种频率出现规律的分析,得到了不同的升力载荷类型.最后本文对波流共同作用下旋转振荡圆柱的流场和载荷进行了研究,给出了不同振荡频率下的流场结构和流体载荷,并对作用力系数做了分析.
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