旋转圆柱结构群绕流特性研究
发布时间：2022-01-08 16:36
古往今来,流场控制一直存在于历史的长河中,如投射的矛,航行的船,以及如今的桥墩等,其结构组成及形状将改变流场,从而使得流场中结构的强度发生改变,因此,需要在新的流场中对结构进行安全性、稳定性的全面探讨。本文主要从流场控制问题出发,基于Fluent商业软件采用Laminar计算模型,对低雷诺数下多圆柱体结构群主动控制流场问题进行数值研究,并着重分析双附属旋转圆柱与主圆柱体结构群、六附属旋转圆柱与主圆柱体结构群和串列旋转双圆柱体结构群绕流特性及其互扰效应及内在力学机制。本文主要研究工作如下:（1）研究雷诺数Re=50～200工况下,双附属旋转圆柱与主圆柱体结构群绕流问题,分析了不同附属圆柱旋转速率对主圆柱体的相关力系数及其周围流场分布特性的影响,并阐述其附属圆柱与主圆柱的互扰效应和力学机制。研究发现:随旋转速率的增加,主圆柱体尾流区域流场会发生较大的变化,涡脱落受到抑制。同时,主圆柱的阻力系数得到明显降低。（2）研究雷诺数Re=200工况下,六附属旋转圆柱与主圆柱体结构群绕流问题,分析来流攻角与附属圆柱旋转速率两个关键参数对主圆柱体的力系数及其结构周围流场分布特性的影响,并阐述附属圆柱与主...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
工程实例（图片来源于网络）
圆柱结构群绕流特性数值模拟研究2图1-1工程实例（图片来源于网络）1.2旋转圆柱绕流的基本理论流体流过置于无限流场中物体的流动现象称之为绕流，是自然界和工程界普遍存在的一种物理现象。若流场中的圆柱自主的旋转，使得流体流过圆柱体发生边界层随圆柱旋转的方向发生偏移。同时，由于圆柱旋转，在圆柱表面会附着一层加速旋转的剪切层。当旋转速度较低时，圆柱体在其后方会产生周期性旋涡脱落，随着旋转速度的增大，涡脱落则会消失不见。因此可见，旋转圆柱绕流的基本原理对结构体带来的影响有一定的研究。涡脱落是由于流体的粘性力而产生的。由于圆柱的旋转，使得流体与圆柱之间的粘性力减弱，从而引起涡脱落被抑制。因此，在静止状态下，由于流体粘性力较大，在圆柱体尾流区形成了著名的卡门涡街，卡门涡街实例如图1-2所示：图1-2自然界中的卡门涡街（图片来源于网络）不仅旋涡的生成与脱落的过程会产生流体力，当圆柱旋转后，会使得流体力发生偏移。其中流体力的方向、大小与旋转的方向和速度相关。流体力可分解为与来流方向一致的阻力FD和与来流方向的垂直升力FL，其相互关系如图1-3所示。
湘潭大学工学硕士学位论文3图1-3流体作用力及旋转圆柱工况示意图旋转圆柱的迎流面受到旋转速度的影响后，迎流面的流体直接发生变异，随着旋转方向的指示顺着圆柱下侧流动，因此在圆柱的迎流面会产生负压力，即吸力。同时，顺着圆柱体表面加速，在圆柱下表面有一个曲面的快速流动，从而产生一个指向上方的离心力FA，使得FL的方向向下，圆柱下侧产生吸力。流体受到旋转速度V的影响，在尾流端并未发生水平流动，而是向斜上方流动，和处于圆柱上方并未受到圆柱旋转影响的流体发生碰撞，使得圆柱上侧的流体速度变得缓慢，或者静止。因此，在圆柱的旋转速度不断增大的过程中，圆柱下侧的离心力越来越大，而上侧的压力基本无变化，从而圆柱整体受到一个向下的FL，也造FD与FL的比值越来越大。当圆柱的旋转方向改变时，上述的流体力中FL的方向会发生改变，而FD的影响不变。因此，升力的值与圆柱体旋转方向有关，当圆柱顺时针旋转升力FL为负值，逆时针旋转时升力FL为正值，从而也会影响阻力FD大校当圆柱的旋转速度足够大，圆柱体周围的流体速度完全与流场的流体分隔开来，在圆柱表面就形成一个紧贴圆柱的剪切层，使得圆柱与流体之间的粘性力消失。1.3研究现状流场控制目前主要是主动控制和被动控制两种方式。被动控制是当今建筑结构采用最普遍的流场控制方式，由于建筑物的大而重，使得建筑物处于流场中的被动控制具有明显优势。相比较与主动控制，如果对建筑投入完全的“能量”并没减少资源的损耗等，因此，主动控制大多数采用附属的方式。目前钝体绕流的研究方式大多都是是采用物理实验的方法和数值模拟的方法。物理实验的方法需要消耗大量的资源及时间，因此数值模拟的方法被更多的学者采纳。采用数值模拟的方法不仅消耗的资源较少，同时
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同倒角半径柱体绕流数值模拟及水动力特性分析[J]. 于定勇,赵建豪,黄东燕,钟延超. 海洋工程. 2018(05)
[2]旋转方式对并列双圆柱绕流特性的影响[J]. 吴新,邹志风. 人民黄河. 2017(11)
[3]超临界雷诺数下旋转圆柱绕流的三维大涡[J]. 程友良,汪辉,赵洪嵩. 可再生能源. 2017(07)
[4]高雷诺数圆柱绕流分离的旋转控制[J]. 何颖,杨新民,陈志华,易文俊. 哈尔滨工程大学学报. 2016(08)
[5]旋转圆柱绕流的动力模态分析[J]. 张宾,唐湛棋,孙姣,陈文义. 河北工业大学学报. 2015(04)
[6]旋转圆柱绕流的流场特性[J]. 何颖,杨新民,陈志华,刘波,易文俊. 船舶力学. 2015(05)
[7]低雷诺数下多根圆柱横向受迫振动的数值模拟研究[J]. 吴浩,孙大鹏,吕林. 中国海洋平台. 2015(02)
[8]串列对转双圆柱的多块LB模拟[J]. 陶实,周力,宗智. 计算物理. 2013(02)
[9]非定常绕流主动控制的数值分析[J]. 汪健生,田永生. 化工学报. 2012(12)
[10]通道中并列旋转圆柱的LB-DF/FD模拟[J]. 聂德明,林建忠. 应用力学学报. 2010(02)
博士论文
[1]多根控制杆对细长柔性立管涡激振动抑制作用的实验及数值研究[D]. 吴浩.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]旋转圆柱绕流的数值模拟与PIV实验研究[D]. 张宾.河北工业大学 2015
[2]圆柱绕流的一种主动控制模式[D]. 田永生.天津大学 2012
[3]静止和转动圆柱绕流的格子Boltzmann模拟[D]. 邬小军.华中科技大学 2009
本文编号：3576903
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
工程实例（图片来源于网络）
圆柱结构群绕流特性数值模拟研究2图1-1工程实例（图片来源于网络）1.2旋转圆柱绕流的基本理论流体流过置于无限流场中物体的流动现象称之为绕流，是自然界和工程界普遍存在的一种物理现象。若流场中的圆柱自主的旋转，使得流体流过圆柱体发生边界层随圆柱旋转的方向发生偏移。同时，由于圆柱旋转，在圆柱表面会附着一层加速旋转的剪切层。当旋转速度较低时，圆柱体在其后方会产生周期性旋涡脱落，随着旋转速度的增大，涡脱落则会消失不见。因此可见，旋转圆柱绕流的基本原理对结构体带来的影响有一定的研究。涡脱落是由于流体的粘性力而产生的。由于圆柱的旋转，使得流体与圆柱之间的粘性力减弱，从而引起涡脱落被抑制。因此，在静止状态下，由于流体粘性力较大，在圆柱体尾流区形成了著名的卡门涡街，卡门涡街实例如图1-2所示：图1-2自然界中的卡门涡街（图片来源于网络）不仅旋涡的生成与脱落的过程会产生流体力，当圆柱旋转后，会使得流体力发生偏移。其中流体力的方向、大小与旋转的方向和速度相关。流体力可分解为与来流方向一致的阻力FD和与来流方向的垂直升力FL，其相互关系如图1-3所示。
湘潭大学工学硕士学位论文3图1-3流体作用力及旋转圆柱工况示意图旋转圆柱的迎流面受到旋转速度的影响后，迎流面的流体直接发生变异，随着旋转方向的指示顺着圆柱下侧流动，因此在圆柱的迎流面会产生负压力，即吸力。同时，顺着圆柱体表面加速，在圆柱下表面有一个曲面的快速流动，从而产生一个指向上方的离心力FA，使得FL的方向向下，圆柱下侧产生吸力。流体受到旋转速度V的影响，在尾流端并未发生水平流动，而是向斜上方流动，和处于圆柱上方并未受到圆柱旋转影响的流体发生碰撞，使得圆柱上侧的流体速度变得缓慢，或者静止。因此，在圆柱的旋转速度不断增大的过程中，圆柱下侧的离心力越来越大，而上侧的压力基本无变化，从而圆柱整体受到一个向下的FL，也造FD与FL的比值越来越大。当圆柱的旋转方向改变时，上述的流体力中FL的方向会发生改变，而FD的影响不变。因此，升力的值与圆柱体旋转方向有关，当圆柱顺时针旋转升力FL为负值，逆时针旋转时升力FL为正值，从而也会影响阻力FD大校当圆柱的旋转速度足够大，圆柱体周围的流体速度完全与流场的流体分隔开来，在圆柱表面就形成一个紧贴圆柱的剪切层，使得圆柱与流体之间的粘性力消失。1.3研究现状流场控制目前主要是主动控制和被动控制两种方式。被动控制是当今建筑结构采用最普遍的流场控制方式，由于建筑物的大而重，使得建筑物处于流场中的被动控制具有明显优势。相比较与主动控制，如果对建筑投入完全的“能量”并没减少资源的损耗等，因此，主动控制大多数采用附属的方式。目前钝体绕流的研究方式大多都是是采用物理实验的方法和数值模拟的方法。物理实验的方法需要消耗大量的资源及时间，因此数值模拟的方法被更多的学者采纳。采用数值模拟的方法不仅消耗的资源较少，同时
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同倒角半径柱体绕流数值模拟及水动力特性分析[J]. 于定勇,赵建豪,黄东燕,钟延超. 海洋工程. 2018(05)
[2]旋转方式对并列双圆柱绕流特性的影响[J]. 吴新,邹志风. 人民黄河. 2017(11)
[3]超临界雷诺数下旋转圆柱绕流的三维大涡[J]. 程友良,汪辉,赵洪嵩. 可再生能源. 2017(07)
[4]高雷诺数圆柱绕流分离的旋转控制[J]. 何颖,杨新民,陈志华,易文俊. 哈尔滨工程大学学报. 2016(08)
[5]旋转圆柱绕流的动力模态分析[J]. 张宾,唐湛棋,孙姣,陈文义. 河北工业大学学报. 2015(04)
[6]旋转圆柱绕流的流场特性[J]. 何颖,杨新民,陈志华,刘波,易文俊. 船舶力学. 2015(05)
[7]低雷诺数下多根圆柱横向受迫振动的数值模拟研究[J]. 吴浩,孙大鹏,吕林. 中国海洋平台. 2015(02)
[8]串列对转双圆柱的多块LB模拟[J]. 陶实,周力,宗智. 计算物理. 2013(02)
[9]非定常绕流主动控制的数值分析[J]. 汪健生,田永生. 化工学报. 2012(12)
[10]通道中并列旋转圆柱的LB-DF/FD模拟[J]. 聂德明,林建忠. 应用力学学报. 2010(02)
博士论文
[1]多根控制杆对细长柔性立管涡激振动抑制作用的实验及数值研究[D]. 吴浩.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]旋转圆柱绕流的数值模拟与PIV实验研究[D]. 张宾.河北工业大学 2015
[2]圆柱绕流的一种主动控制模式[D]. 田永生.天津大学 2012
[3]静止和转动圆柱绕流的格子Boltzmann模拟[D]. 邬小军.华中科技大学 2009
本文编号：3576903
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