為研究帶圓角柱體在非均勻流場中的水動力特性,基于流體動力學(xué)計算軟件Fluent,運用層流模型對振蕩流（Re=160,KC=7）下帶圓角單柱體的繞流問題進(jìn)行二維數(shù)值模擬研究,分析來流攻角和圓角半徑兩個參數(shù)對柱體尾渦結(jié)構(gòu)和流體力系數(shù)的影響,并揭示其流體運動機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn):來流攻角和圓角半徑的變化均會對柱體結(jié)構(gòu)的流場特性和流場力系數(shù)影響顯著;同時,不同來流攻角下,圓角半徑的影響程度會發(fā)生改變。當(dāng)α=0°與R⁺≤0.2時,升力系數(shù)時程曲線呈現(xiàn)拍頻現(xiàn)象,且其FFT譜會存在主次頻;此外,當(dāng)來流攻角增大時,升力系數(shù)的脈動性會增強(qiáng)。當(dāng)α≤22.5°時,慣性力系數(shù)起主導(dǎo)作用,而當(dāng)α>22.5°時,拖曳力系數(shù)起主導(dǎo)作用。 

【文章來源】：水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2020,35(06)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

計算模型和全局網(wǎng)格Fig.1Computationalmodelandglobalgrid

涂佳黃，等：振蕩流下帶圓角單柱體繞流特性數(shù)值研究783算域網(wǎng)格劃分在柱體中心區(qū)域進(jìn)行十字加密，其加密區(qū)域為2D×2D，如圖1(b)所示。圖2為不同工況下柱體結(jié)構(gòu)附近的網(wǎng)格示意圖。柱體1D范圍內(nèi)采用O型網(wǎng)格劃分，徑向?qū)訑?shù)為35層，四周總節(jié)點數(shù)為480，網(wǎng)格總數(shù)約12萬。為保證Y+小于1，柱體表面的第一層網(wǎng)格厚度取為0.02D。圖1計算模型和全局網(wǎng)格Fig.1Computationalmodelandglobalgrid圖2不同工況下柱體結(jié)構(gòu)邊界層網(wǎng)格示意圖Fig.2Schematicdiagramoftheboundarylayergridofthecolumnstructureunderdifferentcases2.1網(wǎng)格獨立性驗證本節(jié)分析了時間步長、柱周總節(jié)點數(shù)、邊界層第一層高度及網(wǎng)格分辨率對單方柱體結(jié)構(gòu)的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)的影響。由表1可知，時間步長和柱周節(jié)點數(shù)對拖曳力系數(shù)的影響較小，誤差率在1.94%-2.38%和-0.29%-0.33%。然而，對慣性力系數(shù)的影響較大，誤差率在-15.93%--15.73%和7.5%-9.4%。邊界層第一層高度對兩者影響較小，誤差率在1.25%-1.63%和0.34%-0.85%。在保證計算精度的前提下，考慮計算時間和計算資源，本文所有算例均選用Mesh1網(wǎng)格模型，時間步長為0.005s。2.2算例驗證本文為研究數(shù)值方法對柱體繞流問題的適用性，對振蕩流下單圓柱體繞流進(jìn)行了研究并與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對比。表2給出了單圓柱體在兩組Re-KC數(shù)組合下的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)值。本文的數(shù)據(jù)采樣時間均為穩(wěn)定后的10個周期。計算結(jié)果與已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，由表2可知，在Re=100和KC=5時本文結(jié)果除與文獻(xiàn)[10]略有差異外，與其他學(xué)者的結(jié)果均非常吻合；在Re=200和KC=10時本文結(jié)果與文獻(xiàn)[10-11]給出的

784水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯2020年第6期表2不同工況下單圓柱體的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)Table2DragcoefficientandinertiacoefficientofsinglecylinderunderdifferentcasesRe=100,KC=5Re=200,KC=10CDCMCDCMDütsch等[11]2.092.451.81-1.842.02-2.04Nehari等[12]2.102.43——Uzunoglu等[13]2.102.45——Zhao等[10]2.042.481.812.03本文結(jié)果2.092.451.842.03圖3(網(wǎng)上彩圖)不同尾流位置處順流向和橫流向速度分布Fig.3(Coloronline)Velocitydistributionindownstreamandtransversedirectionsatdifferentwakepositions圖4(網(wǎng)上彩圖)1個周期內(nèi)不同時刻的渦量圖對比Fig.4(Coloronline)Comparisonofvorticityatdifferenttimesinacycle3.1流場特性分析本節(jié)分析了不同圓角半徑(R+=0.0-0.5)與來流攻角(α=0°-45°)工況下柱體結(jié)構(gòu)附近同一時刻渦量圖。隨著圓角半徑和來流攻角的改變，柱體漩渦的形成、發(fā)展和脫落的形式會發(fā)生變化，其尾流渦街長度和方向也會有較大改變。圖5給出了當(dāng)α=0°時，帶圓角柱體附近尾流模式隨圓角半徑的變化情況。通過各柱體的瞬時渦量圖可以看出，當(dāng)R+≤0.4，柱體兩側(cè)產(chǎn)生的漩渦均關(guān)于y軸對稱。當(dāng)圓角半徑R+≤0.2時，不同圓角半徑下的瞬時渦量圖相似且兩側(cè)漩渦脫落呈“C”字型模式，這種脫落模式是因柱體受振蕩流作用時，柱體前后兩側(cè)的上剪切層向柱體上方卷起所導(dǎo)致。此外，各柱體在振蕩流作用下，柱體兩側(cè)沿順流向方向均會形成渦街。隨著圓角半徑R+增大至0.3，柱體表面尖角處變光滑；柱體的漩渦脫落模式受到圓角的影響而發(fā)生顯著變化，從“C”字型的漩渦脫落模式轉(zhuǎn)變?yōu)榈埂癡”字型的漩渦脫落模式，此現(xiàn)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]不同倒角半徑柱體繞流數(shù)值模擬及水動力特性分析[J]. 于定勇,趙建豪,黃東燕,鐘延超.  海洋工程. 2018(05)
[2]圓柱振蕩流中的斜向渦街[J]. 戴光清,LAM K M.  水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2003(02)



本文編號：3473329