基于力元理论的胀缩圆柱绕流的数值模拟

为了探讨流场结构与物体受力之间的关系,采用力元理论分析流场中各流体元素对力的贡献,利用FLUENT软件求解在均匀来流中作胀缩运动的二维圆柱的Navier-Stokes方程式,通过模拟雷诺数为200,圆柱半径为R0,胀缩率分别为半径的5%、10%、15%和20%,胀缩频率为10 Hz的圆柱绕流,分别得到了流场的流线图、涡量图以及阻力系数图,并编写基于力元理论的程序对二维胀缩圆柱进行受力分析。计算结果表明,与表面积分法相比,力元分析法可以进一步确定各个流动结构对阻力的贡献;圆柱作胀缩运动时,势流力为0,阻力主要来源于体涡度和面涡度以及表面摩擦力的贡献,体涡度对阻力的贡献为62%,表面涡度对阻力的贡献为19%,摩擦力对阻力的贡献为19%;圆柱的阻力系数随胀缩率的增大而增大;当圆柱胀缩频率为10 Hz时,圆柱尾流区域旋涡的脱落频率与圆柱运动的频率相同,而圆柱胀缩率对圆柱绕流的涡脱落频率影响很小。

基于解析复势的Joukowski翼型的附加质量

附加质量是影响水下运动物体受力的重要参数之一。为了高效准确地计算无限域理想流体中Joukowski翼型的附加质量,在推导出基于势流理论的流场复势解析解后,采用复变函数计算流体动能,并根据流体动能与附加质量的关系求解物体的附加质量。通过计算单个圆柱在无限域理想流体中运动的附加质量,验证了采用此方法的便捷性和准确性。运用这个动能推导公式着重研究了不同形状的Joukowski翼型以任意攻角运动的附加质量,得到翼型厚度参数R/a、弧度参数β及翼型运动方向α与附加质量的关系。计算结果表明:水平运动即(α=0)时,Joukowski翼型的附加质量随着R/a、β的增大而增大;竖直运动即(α=π/2)时,附加质量随着R/a的增大、β的减小而减小;除α=0、α=π/2外,此方法还能计算机翼以任意其他攻角运动时的附加质量,具有很好的适用性。