本文關(guān)鍵詞：基于CIP方法振蕩柱體繞流二維數(shù)值模擬研究

  更多相關(guān)文章： CIP方法 振蕩圓柱 浸入邊界法 柱體繞流 鎖定域 升力系數(shù) 渦脫

【摘要】：柱體繞流是一個(gè)復(fù)雜的工程問題,它涉及多種科學(xué)難題,如紊流、流動(dòng)分離和渦脫等。準(zhǔn)確計(jì)算出流體對(duì)柱體結(jié)構(gòu)的作用荷載、渦脫頻率以及鎖定模態(tài),具有重要的科學(xué)價(jià)值和工程意義。本文以柱體繞流為主要議題,著重研究了流向強(qiáng)迫振蕩柱體繞流的水動(dòng)力特性,其中涉及到主動(dòng)流動(dòng)控制和復(fù)雜的流固耦合作用,文中也包含了對(duì)靜止柱體繞流及串列雙柱體繞流問題的數(shù)值模擬研究。本文所采用的數(shù)值模型在笛卡爾直角坐標(biāo)系里建立,以Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程為控制方程,通過CIP-ZJU (Constrained Interpolation Profile method in Zhejiang University)差分格式離散對(duì)流方程,基于多相流的理論實(shí)現(xiàn)流固耦合同步求解,利用浸入邊界法處理運(yùn)動(dòng)邊界。首先對(duì)低雷諾數(shù)Re(Reynolds Number)下單圓柱和方柱靜止繞流進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比較,二者吻合情況較好。通過引入壓力阻力項(xiàng)和摩擦阻力項(xiàng),重點(diǎn)分析Strouhal數(shù)、阻力系數(shù)、升力系數(shù)等參數(shù)隨雷諾數(shù)的變化情況,探討圓柱和方柱繞流水動(dòng)力特性的差異。結(jié)果表明,在Re≈140時(shí),方柱的分離點(diǎn)由后角點(diǎn)處轉(zhuǎn)移到前角點(diǎn)處,并引起摩擦阻力方向的改變,而圓柱則不存在此現(xiàn)象；方柱繞流中壓力阻力項(xiàng)的主導(dǎo)地位要比圓柱繞流中的顯著,同時(shí)方柱繞流的主波長(zhǎng)大于圓柱繞流的主波長(zhǎng)。升力的振幅較阻力大一個(gè)數(shù)量級(jí),且隨著Re的增大,方柱振幅的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于圓柱。然后,針對(duì)振蕩柱體繞流建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)流向強(qiáng)迫柱體繞流進(jìn)行數(shù)值研究。分析不同振幅、不同振蕩頻率的振蕩柱體繞流的水動(dòng)力參數(shù)規(guī)律、渦脫模態(tài)以及鎖定區(qū)間。發(fā)現(xiàn)由于振幅和振蕩頻率的不同,在振蕩圓柱繞流和振蕩方柱中均可以觀察到2T的渦脫模態(tài)鎖定。當(dāng)振蕩頻率處在鎖定域內(nèi)時(shí),升力系數(shù)隨柱體的振蕩運(yùn)動(dòng)具有明顯的相位鎖定,且升力系數(shù)和阻力系數(shù)均在鎖定域內(nèi)取得極大值。串列雙柱體靜止繞流的水動(dòng)力特性相比單柱體靜止繞流更加復(fù)雜。通過對(duì)Re=100,間距比s=L/D=1.5-7.0(L是柱體中心間的距離)的串列雙圓柱和雙方柱繞流的數(shù)值模擬研究,探討間距對(duì)于流場(chǎng)的影響。上下游柱體的渦脫頻率相同,且與串列雙圓柱繞流相比,串列雙方柱繞流的臨界距離相對(duì)較大。當(dāng)柱體間距L達(dá)到臨界距離Lc時(shí),水動(dòng)力參數(shù)將發(fā)生跳躍。最后,對(duì)Re=100,間距比s=L/D=2.0,串列雙圓柱振蕩繞流的水動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值研究。著重分析上下游柱體升力系數(shù)的頻譜特性及渦脫模態(tài)。研究表明頻譜由多個(gè)峰值組成：串列雙圓柱靜止繞流的渦脫頻率f0,圓柱的振蕩頻率fd,諧波頻,分?jǐn)?shù)諧波頻以及所有上述頻率的總和。結(jié)果觀察到的渦脫S模態(tài)與單圓柱振蕩繞流相似,同時(shí)在鎖定域內(nèi)觀察到了2P模態(tài)。
【關(guān)鍵詞】：CIP方法 振蕩圓柱 浸入邊界法 柱體繞流 鎖定域 升力系數(shù) 渦脫
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TV131.2
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 1 緒論12-23
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.1.1 柱體繞流問題研究意義12-13
• 1.1.2 柱體振蕩繞流問題研究意義13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-21
• 1.2.1 單柱體靜止繞流研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 串列雙柱體靜止繞流研究現(xiàn)狀15-17
• 1.2.3 流向振蕩柱體繞流研究現(xiàn)狀17-19
• 1.2.4 串列雙柱體振蕩繞流研究現(xiàn)狀19-20
• 1.2.5 CIP方法的發(fā)展20-21
• 1.3 研究?jī)?nèi)容21-23
• 2 基于CIP方法的流場(chǎng)數(shù)值求解23-32
• 2.1 控制方程23-24
• 2.2 數(shù)值方法24-31
• 2.2.1 CIP方法24-25
• 2.2.2 時(shí)間積分25-27
• 2.2.3 固體邊界處理27
• 2.2.4 計(jì)算網(wǎng)格27-29
• 2.2.5 壓力Possion方程迭代求解29-31
• 2.3 主要控制參數(shù)31
• 2.4 本章小結(jié)31-32
• 3 圓柱和方柱繞流的二維數(shù)值模擬及結(jié)果分析32-53
• 3.1 圓柱繞流的數(shù)值模型32-41
• 3.1.1 計(jì)算域的選取及網(wǎng)格劃分32-33
• 3.1.2 邊界條件和初始條件設(shè)置33
• 3.1.3 圓柱繞流的模型驗(yàn)證33-34
• 3.1.4 圓柱繞流參數(shù)分析34-38
• 3.1.5 圓柱繞流流場(chǎng)分析38-41
• 3.2 方柱繞流的數(shù)值模型41-49
• 3.2.1 計(jì)算域的選取及網(wǎng)格劃分41-42
• 3.2.2 邊界條件和初始條件設(shè)置42
• 3.2.3 方柱繞流參數(shù)分析42-46
• 3.2.4 方柱繞流流場(chǎng)分析46-49
• 3.3 圓柱與方柱繞流參數(shù)對(duì)比49-51
• 3.4 本章小結(jié)51-53
• 4 圓柱和方柱流向振蕩繞流數(shù)值模擬53-77
• 4.1 靜止流體振蕩圓柱53-56
• 4.1.1 計(jì)算域的選取及網(wǎng)格劃分53-54
• 4.1.2 邊界條件和初始條件設(shè)置54
• 4.1.3 數(shù)值算例及結(jié)果分析54-56
• 4.2 振蕩圓柱繞流56-62
• 4.2.1 初始參數(shù)及計(jì)算模型56-57
• 4.2.2 數(shù)值算例及結(jié)果分析57-62
• 4.3 振蕩方柱繞流62-73
• 4.3.1 計(jì)算域的選取及網(wǎng)格劃分62
• 4.3.2 邊界條件和初始條件設(shè)置62-63
• 4.3.3 數(shù)值算例及結(jié)果分析63-73
• 4.4 振蕩圓柱和振蕩方柱繞流主要水動(dòng)力參數(shù)對(duì)比73-74
• 4.5 本章小結(jié)74-77
• 5 串列雙圓柱靜止繞流數(shù)值模擬77-87
• 5.1 串列雙圓柱繞流數(shù)值模型77-78
• 5.1.1 計(jì)算域的選取及網(wǎng)格劃分77-78
• 5.1.2 邊界條件和初始條件設(shè)置78
• 5.2 數(shù)值結(jié)果及分析78-86
• 5.3 本章小結(jié)86-87
• 6 串列雙方柱靜止繞流數(shù)值模擬87-97
• 6.1 串列雙方柱繞流數(shù)值模型87-88
• 6.1.1 計(jì)算域的選取及網(wǎng)格劃分87-88
• 6.1.2 邊界條件和初始條件設(shè)置88
• 6.2 數(shù)值結(jié)果及分析88-96
• 6.2.1 Re=100的數(shù)值結(jié)果及分析88-95
• 6.2.2 不同雷諾數(shù)結(jié)果對(duì)比95-96
• 6.3 本章小結(jié)96-97
• 7 串列雙圓柱振蕩繞流數(shù)值模擬97-105
• 7.1 串列雙圓柱振蕩繞流的數(shù)值模型97-98
• 7.1.1 計(jì)算域的選取及網(wǎng)格劃分97-98
• 7.1.2 邊界條件和初始條件設(shè)置98
• 7.2 數(shù)值結(jié)果及分析98-103
• 7.3 本章小結(jié)103-105
• 8 結(jié)論與展望105-107
• 8.1 本文工作的總結(jié)105-106
• 8.2 進(jìn)一步的工作展望106-107
• 參考文獻(xiàn)107-117
• 附件117-118
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷118-119
• 攻讀碩士期間完成的學(xué)術(shù)論文119

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本文編號(hào)：1058838