圓柱繞流一直以來是流體研究的一個重要方向,橋梁結(jié)構(gòu)的斜拉索是典型的圓柱體,斜拉索的風(fēng)致振動會影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。因此柱體繞流的研究具有重要的工程意義和研究價值。圓柱繞流隨雷諾數(shù)增大可將雷諾數(shù)區(qū)間分為亞臨界區(qū)、臨界區(qū)、超臨界區(qū)。本文主要對不同粗糙度圓柱繞流場雷諾數(shù)效應(yīng)進行研究,揭示氣動力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的規(guī)律,并且從不同粗糙度圓柱壓力分布、展向相關(guān)性與繞流場特征三個方面對變化規(guī)律產(chǎn)生原因進行分析。主要進行了下研究工作:首先,研究了不同粗糙圓柱體的氣動特性,總結(jié)了氣動力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化規(guī)律。粗糙圓柱體可以使流動轉(zhuǎn)捩提前,越粗糙的圓柱體流動轉(zhuǎn)捩越早,臨界雷諾數(shù)越小,臨界區(qū)提前幅度越大。氣動力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化規(guī)律主要有:第一,升阻力系數(shù)先保持不變,到達臨界區(qū)會發(fā)生快速下降的現(xiàn)象,到達最低點后,開始進入超臨界區(qū),升力系數(shù)均方根值快速增大后保持穩(wěn)定,阻力系數(shù)均值緩慢上升,這一阻力快速下降現(xiàn)象稱為阻力危機;第二,在阻力危機發(fā)生的過程中伴隨著渦脫頻率的快速增大,導(dǎo)致了斯托羅哈數(shù)快速增大;第三,后駐點壓力系數(shù)的相反數(shù),即基底系數(shù),基底系數(shù)變化規(guī)律與阻力系數(shù)相似,粗糙度越大下降越早。然后,研究展向相關(guān)性... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圓柱繞流

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-2-——流體的粘性系數(shù)(Ns/m2)；v——流體運動粘性系數(shù)(2m/s)；雷諾數(shù)是流體的慣性力與粘性力的比值，是一個無量綱化的常數(shù)，隨著雷諾數(shù)的增大，圓柱繞流會呈現(xiàn)出不同的物理狀態(tài)。層流狀態(tài)：在雷諾數(shù)較低的情況下即Re<5時，流體運動過程中，粘性力主導(dǎo)，流經(jīng)圓柱無分離，附著在圓柱上，流場呈對稱分布如圖1-1a)。穩(wěn)定分離：隨著雷諾數(shù)增加(5<Re<40)，前后對稱性消失，尾部出現(xiàn)一對穩(wěn)定的滯留渦，穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)但是不脫落，隨著雷諾數(shù)增加滯留渦也會變大，發(fā)生畸形如圖1-1b)。周期性層流：當(dāng)40<Re<300時，尾流兩側(cè)出現(xiàn)周期脫落的旋渦，當(dāng)一側(cè)旋渦脫落的過程中，另一側(cè)渦芽生長發(fā)展成旋渦。同一側(cè)旋渦旋轉(zhuǎn)方向相同，異側(cè)旋渦旋轉(zhuǎn)方向相反。兩側(cè)旋渦交替周期性脫落，形成了卡門渦街如圖1-1c)。湍流渦道（亞臨界區(qū)）：隨著雷諾數(shù)的增大(300<Re<2×105)流動失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生，旋渦脫落過程中，旋渦自身存在不規(guī)則脈動，并且在向下游運動的過程中，會出現(xiàn)旋渦破裂，形成了湍流尾跡，但是在旋渦脫落的過程中，表現(xiàn)出明顯的周期性。渦激振動和風(fēng)雨激振，多發(fā)生在這一雷諾數(shù)區(qū)間如圖1-1d)。湍流邊界層：隨著雷諾數(shù)的增加(2×105<Re<3×106)，發(fā)生了層流邊界層向湍流邊界層的轉(zhuǎn)變，旋渦出現(xiàn)無規(guī)則的隨機脫落，周期性消失，分離點相對于亞臨界區(qū)分離點位置向后移動，更加接近后駐點。尾流變窄，由于阻力壓差變小，會出現(xiàn)阻力系數(shù)急劇下降的現(xiàn)象，其中2×105<Re<5×105。稱為臨界區(qū)，5×105<Re<3×106這一階段稱為超臨界區(qū)如圖1-1e)。重建規(guī)律性渦脫（高超臨界區(qū)）：當(dāng)Re>3×106時，湍流渦道重建周期性，直接發(fā)生湍流邊界層分離，分離點相比超臨界區(qū)更加接近后駐點，尾流區(qū)變窄，出現(xiàn)規(guī)律性渦脫如圖1-1f)。a)b)c)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-5-邊界層分離。粗糙圓柱阻力系數(shù)平均值最小值要大于光滑圓柱，而且圓柱體越粗糙，阻力系數(shù)最小值越大[20]。a)阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化b)斯托羅哈數(shù)隨雷諾數(shù)變化圖1-2不同粗糙度圓柱體力學(xué)特性[9]通過粗糙度可以顯著降低臨界區(qū)，對于經(jīng)常出現(xiàn)旋渦脫落的高度粗糙圓柱，臨界區(qū)最終將消失[21]。Achenbach[22]指出，對于較大的粗糙度，特定的Re會出現(xiàn)分離氣泡的形成，即Rec。Zdravkovich[15]表明較大的粗糙度會導(dǎo)致臨界區(qū)消失，當(dāng)K/D>10-2旋渦脫落隨Re持續(xù)增加，預(yù)示著亞臨界區(qū)和過渡區(qū)相連，并且臨界區(qū)消失。層狀湍流過渡發(fā)生在圓柱體迎風(fēng)部分，確切的位置依賴于K/D而不依賴于Re，所以在這種情況下CD是恒定的[22]。和CD相類似，Shih等[23]認為基底壓力系數(shù)和最小壓力系數(shù)的差在光滑圓柱上是和雷諾數(shù)相關(guān)的，和粗糙圓柱是不同的。粗糙圓柱體的基底壓力系數(shù)和最小壓力系數(shù)的差值由雷諾數(shù)Re和粗糙度的不同而改變。并且分離點角度大概在85°到90°之間。當(dāng)圓柱粗糙度在3.0×10-4—1.01×10-2范圍內(nèi)，St近似恒定在0.2，粗糙度更的圓柱體產(chǎn)生的St值略低于0.2[24]。Zan等[25]指出在光滑圓柱體在連續(xù)流中只有當(dāng)雷諾數(shù)達到幾百萬的數(shù)量級才能恢復(fù)到規(guī)則性的旋渦脫落而粗糙圓柱卻可以在雷諾數(shù)只有4×105的情況下恢復(fù)到規(guī)則性的旋渦脫落。Ma等[26]通過粗糙圓柱體的振動試驗，發(fā)現(xiàn)K/D=0.019%和K/D=0.125%時可以有效的降低雷諾數(shù)變化過程中引起的橫風(fēng)向振動。ZhouB等[27]通過對粗糙度不同的網(wǎng)狀物、砂紙和酒窩坑進行分析雷諾數(shù)2×104<Re<8×104范圍內(nèi)酒窩坑圓柱減阻約30%，粗糙圓柱減阻20%左右，并且升力系數(shù)脈動值相對于光滑圓柱減校KiuKY等[28]通過不同粗糙度圓柱體的渦激振動試驗發(fā)現(xiàn)粗?


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