方柱绕流水动力及流噪声特性研究

发布时间：2020-05-18 15:15

【摘要】：水下舰艇的海水循环冷却系统的进出水口直接与海水相通,海水在流经进口格栅时会产生剪切层分离、旋涡脱落等复杂流动现象,诱发管内流体压力脉动,进而导致流噪声。本文针对实船进水口安装的方柱型格栅,将研究对象简化为方柱及并列多方柱,主要研究内容如下:1、针对方柱绕流数值模拟时常用湍流模型,并考虑了网格疏密及时间离散大小的影响,将计算结果与以往文献数据对比,选择适合本文的网格划分方式及数值模拟方法,最终确定使用SST k-ω湍流模型计算方柱绕流非定常流场,基于FW-H方程求解绕流噪声。2、以二维单方柱为研究对象,分析了雷诺数Re、方柱截面长宽比L/B和流场壁面对主要绕流参数、流场压力脉动分布规律以及流噪声分布规律的影响。使用python计算监测点压力脉动的均方根,并对绕流参数、压力脉动进行快速傅里叶变换,分析了涡脱频率、压力脉动及噪声的频谱特性及其之间的关系。3、在单方柱绕流研究的基础上,取方柱截面长宽比L/B=2,针对实船格栅的布置方式,以五个并列布置的二维方柱为研究对象,分析了雷诺数Re及方柱间距比D/B对绕流参数、流场压力脉动和流噪声特性的影响。4、对二维数值模拟的部分工况进行三维数值模拟,分析了无限流场下单方柱绕流二维及三维数值模拟结果的差异,对比了圆管内单方柱绕流三维数值结果与有限域内单方柱绕流二维数值结果的差异。
【图文】：

3图 1-2 不同长宽比 B/A 下斯特劳哈尔数 St 随攻角α变化关系虽然实验一直以来是研究绕流的主要技术手段，但由于实验设备投资巨大，且结果很容易受到操作条件及传感器精度影响。从 20 世纪 90 年代起，随着计算流体力学和计算机性能的快速发展，越来越多的学者采用数值模拟方式研究方柱绕流。Sohankar[10]等人在 1999 年采用直接数值模拟（DNS）计算了 Re=150 500 范围内二维及三维方柱绕流，结果表明在 Re=150 时出现稳定的二维层流脱落， Re=200 时出现三维流动影响。另外，在对二维计算结果的升力系数和阻力系数的谱分析中发现双倍周期现象，而三维计算中则不存在。Wissink[11]对 Re=10000 的二维方柱绕流展开研究，在方柱前角点后方观察到了一个较小的次级再循环区域，在方柱后方尾流(a)Re=1000 (b)Re=5000

图 1-3 方柱尾流区涡结构示意图由于直接数值模拟对计算机性能要求极高，，只能计算低雷诺数下的方柱绕流于高雷诺数的情形仍需使用湍流模型进行求解。Yu[12]等人采用大涡模拟（LE雷诺数 Re=105的方柱绕流进行了二维及三维数值模拟，计算得到的结果与实具有很好的一致性。Yu 在进行三维数值模拟的过程中发现，三维模型对网格要求较高，否则会造成最终的压力波动均方根值过低。另外在对时间步长的影究中发现，计算结果对时间分辨率不敏感。Kogaki[13]等人采用基于 Smagrinsk模型的 LES 模拟 Re=22000 的固定方柱绕流，并利用高阶迎风格式来减小数。计算得到的阻力系数、斯特劳哈尔数等数据与实验数据吻合良好，证实了在流场中采用 LES 方法的可行性。Grigoriadis[14]等人在 2003 年使用浸入边界法柱绕流问题的几何定义，并采用 LES 计算得到了雷诺数 Re=22000 时的结果低的计算成本同样获得了良好的结果。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.70

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本文编号：2669918