组合台阶柱绕流涡结构与水动力特性研究

该文利用开源软件OpenFOAM模拟研究了圆柱与方柱按不同形式串接而成的组合台阶柱的三维绕流流场与水动力特性。基于单位圆柱直径,来流雷诺数为500,方柱与圆柱的直径比为1.5,两者长度比为1:1。研究发现,台阶处存在“下洗”效应,且起始端相连的连接涡与边缘涡成对出现,造成台阶附近出现明显的尾涡干涉现象。单台阶柱的展向涡干涉区介于交接处上下±0.3D范围内,干涉区内流向时均速度为零的等值线断裂呈多根并存。受尾涡干涉与壁面涡的影响,单台阶柱的圆柱尾迹增宽约30%,背流面平均压力系数比单一方柱小25%,而双台阶柱的圆柱尾迹增宽约50%,背流面压力系数比单一方柱小33%。这表明尾流特征尺寸和表面的压力系数沿轴向均有明显波动,且双台阶更为显著。台阶柱尾流存在涡位错和涡分裂现象,双台阶柱后方的涡管分裂成更多小涡,涡脱频率带宽较大。表面平均压力系数与台阶个数有关,台阶柱的升力系数脉动值较单一形状柱体小,且双台阶柱的阻力系数脉动值最小。