后臺階及方形鈍體繞流湍流場數(shù)值模擬及PIV實驗研究.pdf

1、分離再附流動是工程實際中一種非常普遍的流動現(xiàn)象,其中,以后臺階及方塊鈍體繞流為這種流動的典型代表。在放置有液壓閥門的流道中、高層建筑物周圍風(fēng)場、橋梁的風(fēng)載計算以及電路板的強(qiáng)制換熱等常見的流動現(xiàn)象中均可以得到體現(xiàn)。因此對于后臺階及方形鈍體繞流的研究具有著重要的實際意義。本文在相應(yīng)的理論基礎(chǔ)上,利用實驗和數(shù)值模擬手段對其展開了一系列研究工作。
　　首先利用PIV粒子測速系統(tǒng)測量了實驗裝置來流斷面的速度分布、速度的脈動特性以及邊界層的相

2、關(guān)參數(shù)。從測量結(jié)果可以看出,三個不同高度上的流向速度展向分布平均,中心流線上速度的湍流度基本小于6％,此結(jié)果驗證了PIV對后臺階及方形鈍體實驗臺二維測量的可行性。在此基礎(chǔ)上對不同來流速度下的后臺階及方形鈍體繞流流場的細(xì)節(jié)進(jìn)行實驗測量,并對實驗結(jié)果進(jìn)行后處理,得到了相應(yīng)的時均參數(shù),獲得了各工況下的再附點位置。本文中六個工況均處在湍流狀態(tài),附著點長度與Re無關(guān),基本保持在某一范圍內(nèi)浮動。測量得到的再附點長度與國內(nèi)外學(xué)者利用不同手段得到的結(jié)果

3、基本一致。采用統(tǒng)計分析的方法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得到了渦量場、流向和法向速度分量脈動場、雷諾應(yīng)力場的分布。從量化角度分析了流動能量的傳遞、耗散的過程。從結(jié)果中得到,剪切層在X/H>2.0的區(qū)域保持一定的厚度,說明在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生了強(qiáng)烈的非穩(wěn)態(tài)混合現(xiàn)象。并且脈動的高強(qiáng)度區(qū)域主要集中在沿臺階前緣發(fā)展的流線附近,這個區(qū)域是整個流場中活動最激烈的部分。
　　采用大渦模擬與雷諾平均方法中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型分別對后臺階及方形鈍體繞流流場進(jìn)行了非定

4、常和定常的數(shù)值模擬,對流場中的速度分布、渦的形成進(jìn)行了測量與顯示。選取工況6的實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析得出:大渦模擬方法對分離區(qū)域渦結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果比較精細(xì),能夠完全描述出旋渦的整個發(fā)展過程,而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型得到的結(jié)果卻無法體現(xiàn)這一點。并且由三種方法得到的再附點位置的結(jié)果看出,大渦模擬計算的結(jié)果與實驗結(jié)果更為接近。從這兩方面就可體現(xiàn)大渦模擬在計算渦結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)越性。此外對不同截面處雷諾平均-u’v’與湍動能k的大小進(jìn)行對比分析,