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振荡流下单/双圆角柱体结构绕流特性数值研究

振荡流下单/双圆角柱体结构绕流特性数值研究

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作者：王程湘潭大学

学位级别：硕士

柱体绕流是工程领域和自然界中比较常见的一种流体运动现象,如海洋平台、海底石油管道和大海中的孤岛等。一方面,海底资源的发现使得柱体结构逐渐向大洋中建设,其速度和运动方向时刻变化的海洋流体犹如振荡流作用于柱体结构表面且长期... 详细信息

柱体绕流是工程领域和自然界中比较常见的一种流体运动现象,如海洋平台、海底石油管道和大海中的孤岛等。一方面,海底资源的发现使得柱体结构逐渐向大洋中建设,其速度和运动方向时刻变化的海洋流体犹如振荡流作用于柱体结构表面且长期反复作用下会导致柱体结构产生不均匀的流体力进而危及其安全。另一方面,技术的发展使得圆角柱体结构开始被大规模地应用于实际工程,但振荡流研究主要集中在规则柱体结构。因此,本文运用数值计算软件Fluent对零均值振荡流下单圆角柱体结构和串并列双圆角柱体结构群绕流问题进行研究具有一定的实际工程意义,其主要分析圆角半径、来流攻角和间距比对流场分布特性和流体力系数的影响,主要研究工作和相关结论如下:（1）振荡流下单圆角柱体结构二维绕流问题数值研究。研究发现来流攻角增大不仅会改变尾流漩涡数量还会改变漩涡和附着涡的位置进而导致尾流涡街分布呈对称、非对称和对角等形式。此外,来流攻角增大还会使得顺流向速度分布由“V”型向“U”型转变而横流向速度分布则由对称向不对称变化。另一方面,大圆角半径会使得附着涡消失而小圆角半径对流场分布无较大影响,且圆角半径仅在大来流攻角下对顺横流向速度分布有较大影响。然而,来流攻角和圆角半径增大均会改变流体力系数分布和Liassajous曲线形状。另外,圆角半径增大还会导致柱拖曳力系数减少但惯性力系数则先减少后增大而来流攻角增大对两系数的影响与圆角半径相反。（2）振荡流下串列双圆角柱体结构群二维绕流问题数值研究。研究发现当间距比小于临界值时,圆角半径增大会使得双柱体结构群尾流呈“三斜向尾流涡街”、“双斜向尾流涡街”和“双平行尾流涡街”模式且各柱体表面的附着涡会消失。一方面,间距比和圆角半径增大对各柱体尾流区流体顺横流向速度分布影响均较小且顺流向速度分布呈“U”型并关于y/D=0对称而横流向速度分布呈反对称。另一方面,两柱体的流体力系数分布在串列布置时存在相位差且圆角半径对流场分布的影响强弱取决于间距比。另外,圆角半径增大还会导致拖曳力系数先减少后增大而惯性力系数则一直减少,但间距比增大会导致两系数均先增加后基本趋于定值。（3）振荡流下并列双圆角柱体结构群二维绕流问题数值研究。研究发现双柱体结构群尾流在n≤2.0均为间隙区漩涡模式且形成平行涡街而各柱体尾流在n≥3.0时则形成斜向涡街且圆角半径较小时呈对称分布。一方面,两柱体在x/D=±0.06处的流体顺流向速度分布均呈“U”型且关于间隙区中心线对称而横流向速度分布则互为反对称。另一方面,两柱体的升力系数时程曲线分布在并列布置时呈反相但趋势一致,其圆角半径和间距比增大均会改变各柱体的升力系数时程曲线分布和Liassajous曲线形状但对升力系数FFT谱影响较小。另外,圆角半径增大会减少拖曳力系数和惯性力系数而间距比增大则导致两系数均先减少后基本保持不变。

关键词：零均值振荡流圆角半径来流攻角间距比尾流特性

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