边界层流动控制的数值模拟与DPIV实验研究

发布时间：2017-09-11 19:30

  本文关键词：边界层流动控制的数值模拟与DPIV实验研究

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【摘要】：本论文跟踪了国内外关于流动控制问题的最新研究动向，对本领域内的研究方法和进展进行了综述和分析。以动波壁为研究对象，将其应用于流体力学中的经典问题：圆柱绕流及其流动控制方法研究。在对计算流体力学及圆柱绕流理论知识深入了解的基础上，通过数值模拟及数字粒子图像测速系统(DPIV)实验两种途径对动波壁圆柱开展研究，比较动波壁圆柱与光滑圆柱的尾流场及受力情况的差异，并讨论了不同来流速度及动波壁波速对圆柱尾流场的影响。论文的主要工作及成果如下： 1)较为全面地回顾和分析了国内外研究流动控制问题的动态和进展，分析比较了不同控制方法的差异，分析了目前研究成果中存在的不足及待深入研究的问题。 2)建立二维的动波壁圆柱计算模型，通过计算流体力学软件Fluent动态链接C语言自编的UDF程序来实现动波壁的数值模拟，开展了Re=500及Re=12500时不同动波壁波动速度下圆柱的尾流场及受力情况的研究。结果发现圆柱尾流场中轴线上的流体速度随着动波壁波速的增加而增大，阻力随着波动速度增加而减小。Re=500时，波速达到4倍来流速度，尾流场的涡街完全消失，超过5倍来流速度后阻力为负值。Re=12500时，波速达到1倍来流速度后，涡街完全消失，超过2倍来流速度后阻力为负值。两种雷诺数下圆柱的升力及阻力曲线都出现不规则高频振荡现象。 3)建立了三维动波壁圆柱计算模型，开展了Re=12500时不同波动速度对圆柱绕流尾流场及受力情况的研究，其现象与同雷诺数下二维数值模拟的结果基本一致，不同之处在于升力曲线并没有出现高频振荡，只是稳定在零值附近，而阻力曲线出现震荡，幅值随波速增加而加大，震荡频率与波动频率一致。 4)根据数值模拟计算模型，利用CAD及Solidworks软件设计了动波壁圆柱实验装置，加工制作了动波壁实验装置，并通过编译VB程序实现对动波壁波动速度的控制。 5)利用DPIV系统，在小型试验水槽中进行了动波壁圆柱尾流场的测试，在雷诺数Re=12500，来流速度u=0.125m/s的情况下，，对动波壁波动速度w=0(光滑圆柱)、0.0625、0.125、0.1875m/s等十二种工况进行了实验，观察其尾流场与光滑圆柱尾流场的区别，发现动波壁提高了尾流场流体的速度，并减弱了交替脱落的尾涡，从实验角度证明了动波壁抑制涡激振动的效果。
【关键词】：动波壁圆柱 涡激振动 波动减阻 CFD DPIV
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.1
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 研究背景及意义15-16
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势16-23
• 1.2.1 涡流发生器16-18
• 1.2.2 射流注入18
• 1.2.3 零质量射流18-20
• 1.2.4 附面层抽吸20-21
• 1.2.5 等离子体21
• 1.2.6 动波壁21-23
• 1.3 PIV 技术在流场测试中的应用23-24
• 1.4 本文主要研究内容24-25
• 1.5 本章小结25-27
• 第2章 涡激振动及 CFD 基本知识27-39
• 2.1 引言27
• 2.2 圆柱绕流漩涡的形成及发放过程27-29
• 2.3 涡激振动相关参数29-32
• 2.4 数值模拟与计算方法32-38
• 2.4.1 控制方程32-33
• 2.4.2 数值离散方法33-35
• 2.4.3 离散方程的求解35-36
• 2.4.4 湍流模型36
• 2.4.5 动网格处理技术36-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第3章 动波壁圆柱的数值模拟研究39-67
• 3.1 引言39
• 3.2 二维低雷诺数动波壁圆柱绕流39-49
• 3.2.1 基本方程39-40
• 3.2.2 计算模型40-41
• 3.2.3 动波壁运动控制方程41-42
• 3.2.4 计算工况42
• 3.2.5 计算结果及分析42-49
• 3.3 二维亚临界区雷诺数动波壁圆柱绕流49-57
• 3.3.1 计算工况50
• 3.3.2 计算结果及分析50-57
• 3.4 三维动波壁圆柱绕流57-66
• 3.4.1 计算模型57-59
• 3.4.2 计算工况59
• 3.4.3 计算结果及分析59-66
• 3.5 本章小结66-67
• 第4章 动波壁圆柱实验装置的设计与制作67-89
• 4.1 引言67
• 4.2 波动壁圆柱装置设计67-79
• 4.2.1 总体设计67-68
• 4.2.2 壁面波动机构设计68-71
• 4.2.3 凸轮设计71-73
• 4.2.4 传动机构设计73-74
• 4.2.5 圆桶设计74-77
• 4.2.6 凸轮与顶杆压力角计算77-79
• 4.3 实验装置三维建模及制作79-82
• 4.3.1 圆桶模型的建立及制作79-80
• 4.3.2 顶杆三维模型及制作80
• 4.3.3 传动系统三维模型及制作80-81
• 4.3.4 装置总体三维模型及制作81-82
• 4.4 波浪壁波动速度的控制82-87
• 4.4.1 驱动电机的选取82-84
• 4.4.2 驱动电机的控制84-87
• 4.5 本章小结87-89
• 第5章 动波壁圆柱绕流的 DPIV 实验研究89-105
• 5.1 引言89
• 5.2 实验设备89-92
• 5.2.1 循环水槽系统89-90
• 5.2.2 拍摄及照明系统90-91
• 5.2.3 图像处理系统91-92
• 5.3 DPIV 系统测速原理92-95
• 5.3.1 图像采集原理92-93
• 5.3.2 图像处理原理93-95
• 5.4 Insight 3G 参数设置95-96
• 5.5 DPIV 实验结果及分析96-102
• 5.5.1 实验装置布置96-97
• 5.5.2 实验工况97-98
• 5.5.3 实验结果98-100
• 5.5.4 结果分析100-102
• 5.6 实验中的不足及误差分析102-103
• 5.7 本章小结103-105
• 第6章 总结与展望105-107
• 6.1 主要结论105-106
• 6.2 研究展望106-107
• 参考文献107-111
• 攻读学位期间发表的学术论文111-113
• 致谢113

【参考文献】

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本文编号：832637