串列双旋转圆柱群绕流特性及互扰效应研究

本文基于Fluent计算软件,对Re=200条件下,串列双旋转圆柱三维绕流问题进行数值模拟研究。探究不同间距比(L/D=1.5-5.0)和旋转速率(α=0.0-4.0)对旋转圆柱流体力系数、表面压力系数、流场特性以及涡脱落的影响。研究表明:流向涡主要由下游圆柱产生,当旋转速率较小(α<2)时为大涡结构,当α≥2时则转变为混合交错排列的小尺度结构;展向涡则主要由上游圆柱产生将下游圆柱包裹在内;圆柱旋转会导致尾流呈现不对称模态,尾涡向下侧发生偏移,随着转速的增加,圆柱表面以负压为主,吸力会增大从而抑制尾流的产生;随着α增大,上、下游圆柱阻力系数平均值变化规律相反,而升力系数均方根值变化规律相同;旋转速率对上游圆柱的阻力系数成分的影响较大,导致阻力系数平均值发生异号;仅在小间距比工况下下游圆柱阻力系数平均值会发生异号;当旋转速率较大时,上、下游圆柱的斯托罗哈尔数均会趋于0,随L/D增大其变化速度会加快。

五圆柱体结构群绕流特性及互扰效应研究

基于Fluent流体计算平台,运用大涡模拟方法对亚临界雷诺数Re=3900下“X”形排列五圆柱体结构群三维绕流特性进行研究,主要分析来流攻角α与间距比L/D两个关键参数对五圆柱体结构群的尾流区三维涡结构演化与流体力系数的影响,并揭示其内在流动互扰机理。研究表明:来流攻角和间距比的变化对五圆柱体结构群流动控制及互扰效应的影响显著。在小间距比工况下,观察到柱体群间隙区域内流体高速流动的现象,导致五圆柱体之间的互扰作用十分强烈。间隙流对中间圆柱体和下游圆柱体有较强的冲击作用,对其表面的流体力分布特性有显著的影响。另外,大间距比工况下,当α=0°与L/D≥5.0工况时,柱体群尾流效应强于其间隙流效应。当α=22.5°与L/D=7.0时,位于下游与中间处的圆柱体流体绕流特性存在较大差异。而当α=45°与L/D≥6.0时,位于上游与中间处的圆柱体尾流区均会产生正负交替的漩涡结构。

六附属旋转小圆柱对主圆柱绕流特性的影响

基于计算流体动力学方法,对雷诺数Re=200条件下,六附属旋转小圆柱与主圆柱体二维绕流进行了数值模拟。考虑来流攻角(θ=0°-60°)与附属圆柱旋转速率(α=0.0-2.0)两个关键参数对主圆柱体流体力系数,以及流场特性的影响,最后分析了附属圆柱临界转速与来流攻角之间的变化。结果表明:来流攻角和附属圆柱旋转速率的变化对主圆柱体流体力系数、流场流动模态及其互扰效应的影响较大。随来流攻角的变化,主圆柱周围的流场流动模态会发生显著变化,静止与低速旋转状态下(α=0.0-1.0),主圆柱尾流形态呈多样性;而在高速旋转状态下(α=1.0-2.0),主圆柱尾流形态较为单一。此外,附属圆柱临界转速随来流攻角的增大呈现先增大后减小的变化趋势。

双旋转附属圆柱对主圆柱尾流控制的影响

基于Fluent软件平台,采用数值模拟方法对非稳态圆柱体结构尾流流动特性进行了研究。对在Re=50~200范围内,双旋转附属圆柱的转速对主圆柱体尾流流动特性的影响进行了分析。研究结果表明:随着附属圆柱旋转速率的增加,主圆柱体表面所受阻力系数平均值与均方根值、升力系数均方根值均会减小。同时,旋转速率的变化对柱体结构表面压力分布的影响显著,压力系数在附属圆柱的位置产生了跳跃性变化。另外,当附属圆柱转速达到临界值时,尾流涡街变窄,涡脱落现象消失,并且系统的能量效率到达最佳状态。