基于CIP方法振蕩柱體繞流二維數(shù)值模擬研究.pdf

1、柱體繞流是一個(gè)復(fù)雜的工程問(wèn)題，它涉及多種科學(xué)難題，如紊流、流動(dòng)分離和渦脫等。準(zhǔn)確計(jì)算出流體對(duì)柱體結(jié)構(gòu)的作用荷載、渦脫頻率以及鎖定模態(tài)，具有重要的科學(xué)價(jià)值和工程意義。本文以柱體繞流為主要議題，著重研究了流向強(qiáng)迫振蕩柱體繞流的水動(dòng)力特性，其中涉及到主動(dòng)流動(dòng)控制和復(fù)雜的流固耦合作用，文中也包含了對(duì)靜止柱體繞流及串列雙柱體繞流問(wèn)題的數(shù)值模擬研究。
　　本文所采用的數(shù)值模型在笛卡爾直角坐標(biāo)系里建立，以Navier-Stokes方程和連續(xù)性方

2、程為控制方程，通過(guò)CIP-ZJU(Constrained Interpolation Profile methodin Zhejiang University)差分格式離散對(duì)流方程，基于多相流的理論實(shí)現(xiàn)流固耦合同步求解，利用浸入邊界法處理運(yùn)動(dòng)邊界。
　　首先對(duì)低雷諾數(shù)Re(Reynolds Number)下單圓柱和方柱靜止繞流進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比較，二者吻合情況較好。通過(guò)引入壓力阻力項(xiàng)和摩擦阻力項(xiàng)，重點(diǎn)分析Str

3、ouhal數(shù)、阻力系數(shù)、升力系數(shù)等參數(shù)隨雷諾數(shù)的變化情況，探討圓柱和方柱繞流水動(dòng)力特性的差異。結(jié)果表明，在Re≈140時(shí)，方柱的分離點(diǎn)由后角點(diǎn)處轉(zhuǎn)移到前角點(diǎn)處，并引起摩擦阻力方向的改變，而圓柱則不存在此現(xiàn)象;方柱繞流中壓力阻力項(xiàng)的主導(dǎo)地位要比圓柱繞流中的顯著，同時(shí)方柱繞流的主波長(zhǎng)大于圓柱繞流的主波長(zhǎng)。升力的振幅較阻力大一個(gè)數(shù)量級(jí)，且隨著Re的增大，方柱振幅的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于圓柱。
　　然后，針對(duì)振蕩柱體繞流建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)流向強(qiáng)迫柱

4、體繞流進(jìn)行數(shù)值研究。分析不同振幅、不同振蕩頻率的振蕩柱體繞流的水動(dòng)力參數(shù)規(guī)律、渦脫模態(tài)以及鎖定區(qū)間。發(fā)現(xiàn)由于振幅和振蕩頻率的不同，在振蕩圓柱繞流和振蕩方柱中均可以觀察到2T的渦脫模態(tài)鎖定。當(dāng)振蕩頻率處在鎖定域內(nèi)時(shí)，升力系數(shù)隨柱體的振蕩運(yùn)動(dòng)具有明顯的相位鎖定，且升力系數(shù)和阻力系數(shù)均在鎖定域內(nèi)取得極大值。
　　串列雙柱體靜止繞流的水動(dòng)力特性相比單柱體靜止繞流更加復(fù)雜。通過(guò)對(duì)Re=100，間距比s=L/D=1.5-7.0(L是柱體中心間

5、的距離)的串列雙圓柱和雙方柱繞流的數(shù)值模擬研究，探討間距對(duì)于流場(chǎng)的影響。上下游柱體的渦脫頻率相同，且與串列雙圓柱繞流相比，串列雙方柱繞流的臨界距離相對(duì)較大。當(dāng)柱體間距三達(dá)到臨界距離Lc時(shí)，水動(dòng)力參數(shù)將發(fā)生跳躍。
　　最后，對(duì)Re=100，間距比s=L/D=2.0，串列雙圓柱振蕩繞流的水動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值研究。著重分析上下游柱體升力系數(shù)的頻譜特性及渦脫模態(tài)。研究表明頻譜由多個(gè)峰值組成:串列雙圓柱靜止繞流的渦脫頻率f0，圓柱的振蕩頻率f