不同粗糙度圆柱体绕流场雷诺数效应研究
发布时间：2022-01-24 05:20
圆柱绕流一直以来是流体研究的一个重要方向,桥梁结构的斜拉索是典型的圆柱体,斜拉索的风致振动会影响桥梁结构的耐久性。因此柱体绕流的研究具有重要的工程意义和研究价值。圆柱绕流随雷诺数增大可将雷诺数区间分为亚临界区、临界区、超临界区。本文主要对不同粗糙度圆柱绕流场雷诺数效应进行研究,揭示气动力系数随雷诺数变化的规律,并且从不同粗糙度圆柱压力分布、展向相关性与绕流场特征三个方面对变化规律产生原因进行分析。主要进行了下研究工作:首先,研究了不同粗糙圆柱体的气动特性,总结了气动力系数随雷诺数变化规律。粗糙圆柱体可以使流动转捩提前,越粗糙的圆柱体流动转捩越早,临界雷诺数越小,临界区提前幅度越大。气动力系数随雷诺数变化规律主要有:第一,升阻力系数先保持不变,到达临界区会发生快速下降的现象,到达最低点后,开始进入超临界区,升力系数均方根值快速增大后保持稳定,阻力系数均值缓慢上升,这一阻力快速下降现象称为阻力危机;第二,在阻力危机发生的过程中伴随着涡脱频率的快速增大,导致了斯托罗哈数快速增大;第三,后驻点压力系数的相反数,即基底系数,基底系数变化规律与阻力系数相似,粗糙度越大下降越早。然后,研究展向相关性...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
圆柱绕流
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-——流体的粘性系数(Ns/m2)；v——流体运动粘性系数(2m/s)；雷诺数是流体的惯性力与粘性力的比值，是一个无量纲化的常数，随着雷诺数的增大，圆柱绕流会呈现出不同的物理状态。层流状态：在雷诺数较低的情况下即Re<5时，流体运动过程中，粘性力主导，流经圆柱无分离，附着在圆柱上，流场呈对称分布如图1-1a)。稳定分离：随着雷诺数增加(5<Re<40)，前后对称性消失，尾部出现一对稳定的滞留涡，稳定旋转但是不脱落，随着雷诺数增加滞留涡也会变大，发生畸形如图1-1b)。周期性层流：当40<Re<300时，尾流两侧出现周期脱落的旋涡，当一侧旋涡脱落的过程中，另一侧涡芽生长发展成旋涡。同一侧旋涡旋转方向相同，异侧旋涡旋转方向相反。两侧旋涡交替周期性脱落，形成了卡门涡街如图1-1c)。湍流涡道（亚临界区）：随着雷诺数的增大(300<Re<2×105)流动失稳现象发生，旋涡脱落过程中，旋涡自身存在不规则脉动，并且在向下游运动的过程中，会出现旋涡破裂，形成了湍流尾迹，但是在旋涡脱落的过程中，表现出明显的周期性。涡激振动和风雨激振，多发生在这一雷诺数区间如图1-1d)。湍流边界层：随着雷诺数的增加(2×105<Re<3×106)，发生了层流边界层向湍流边界层的转变，旋涡出现无规则的随机脱落，周期性消失，分离点相对于亚临界区分离点位置向后移动，更加接近后驻点。尾流变窄，由于阻力压差变小，会出现阻力系数急剧下降的现象，其中2×105<Re<5×105。称为临界区，5×105<Re<3×106这一阶段称为超临界区如图1-1e)。重建规律性涡脱（高超临界区）：当Re>3×106时，湍流涡道重建周期性，直接发生湍流边界层分离，分离点相比超临界区更加接近后驻点，尾流区变窄，出现规律性涡脱如图1-1f)。a)b)c)
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-边界层分离。粗糙圆柱阻力系数平均值最小值要大于光滑圆柱，而且圆柱体越粗糙，阻力系数最小值越大[20]。a)阻力系数随雷诺数变化b)斯托罗哈数随雷诺数变化图1-2不同粗糙度圆柱体力学特性[9]通过粗糙度可以显著降低临界区，对于经常出现旋涡脱落的高度粗糙圆柱，临界区最终将消失[21]。Achenbach[22]指出，对于较大的粗糙度，特定的Re会出现分离气泡的形成，即Rec。Zdravkovich[15]表明较大的粗糙度会导致临界区消失，当K/D>10-2旋涡脱落随Re持续增加，预示着亚临界区和过渡区相连，并且临界区消失。层状湍流过渡发生在圆柱体迎风部分，确切的位置依赖于K/D而不依赖于Re，所以在这种情况下CD是恒定的[22]。和CD相类似，Shih等[23]认为基底压力系数和最小压力系数的差在光滑圆柱上是和雷诺数相关的，和粗糙圆柱是不同的。粗糙圆柱体的基底压力系数和最小压力系数的差值由雷诺数Re和粗糙度的不同而改变。并且分离点角度大概在85°到90°之间。当圆柱粗糙度在3.0×10-4—1.01×10-2范围内，St近似恒定在0.2，粗糙度更的圆柱体产生的St值略低于0.2[24]。Zan等[25]指出在光滑圆柱体在连续流中只有当雷诺数达到几百万的数量级才能恢复到规则性的旋涡脱落而粗糙圆柱却可以在雷诺数只有4×105的情况下恢复到规则性的旋涡脱落。Ma等[26]通过粗糙圆柱体的振动试验，发现K/D=0.019%和K/D=0.125%时可以有效的降低雷诺数变化过程中引起的横风向振动。ZhouB等[27]通过对粗糙度不同的网状物、砂纸和酒窝坑进行分析雷诺数2×104<Re<8×104范围内酒窝坑圆柱减阻约30%，粗糙圆柱减阻20%左右，并且升力系数脉动值相对于光滑圆柱减校KiuKY等[28]通过不同粗糙度圆柱体的涡激振动试验发现粗?
本文编号：3605936
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
圆柱绕流
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-——流体的粘性系数(Ns/m2)；v——流体运动粘性系数(2m/s)；雷诺数是流体的惯性力与粘性力的比值，是一个无量纲化的常数，随着雷诺数的增大，圆柱绕流会呈现出不同的物理状态。层流状态：在雷诺数较低的情况下即Re<5时，流体运动过程中，粘性力主导，流经圆柱无分离，附着在圆柱上，流场呈对称分布如图1-1a)。稳定分离：随着雷诺数增加(5<Re<40)，前后对称性消失，尾部出现一对稳定的滞留涡，稳定旋转但是不脱落，随着雷诺数增加滞留涡也会变大，发生畸形如图1-1b)。周期性层流：当40<Re<300时，尾流两侧出现周期脱落的旋涡，当一侧旋涡脱落的过程中，另一侧涡芽生长发展成旋涡。同一侧旋涡旋转方向相同，异侧旋涡旋转方向相反。两侧旋涡交替周期性脱落，形成了卡门涡街如图1-1c)。湍流涡道（亚临界区）：随着雷诺数的增大(300<Re<2×105)流动失稳现象发生，旋涡脱落过程中，旋涡自身存在不规则脉动，并且在向下游运动的过程中，会出现旋涡破裂，形成了湍流尾迹，但是在旋涡脱落的过程中，表现出明显的周期性。涡激振动和风雨激振，多发生在这一雷诺数区间如图1-1d)。湍流边界层：随着雷诺数的增加(2×105<Re<3×106)，发生了层流边界层向湍流边界层的转变，旋涡出现无规则的随机脱落，周期性消失，分离点相对于亚临界区分离点位置向后移动，更加接近后驻点。尾流变窄，由于阻力压差变小，会出现阻力系数急剧下降的现象，其中2×105<Re<5×105。称为临界区，5×105<Re<3×106这一阶段称为超临界区如图1-1e)。重建规律性涡脱（高超临界区）：当Re>3×106时，湍流涡道重建周期性，直接发生湍流边界层分离，分离点相比超临界区更加接近后驻点，尾流区变窄，出现规律性涡脱如图1-1f)。a)b)c)
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-边界层分离。粗糙圆柱阻力系数平均值最小值要大于光滑圆柱，而且圆柱体越粗糙，阻力系数最小值越大[20]。a)阻力系数随雷诺数变化b)斯托罗哈数随雷诺数变化图1-2不同粗糙度圆柱体力学特性[9]通过粗糙度可以显著降低临界区，对于经常出现旋涡脱落的高度粗糙圆柱，临界区最终将消失[21]。Achenbach[22]指出，对于较大的粗糙度，特定的Re会出现分离气泡的形成，即Rec。Zdravkovich[15]表明较大的粗糙度会导致临界区消失，当K/D>10-2旋涡脱落随Re持续增加，预示着亚临界区和过渡区相连，并且临界区消失。层状湍流过渡发生在圆柱体迎风部分，确切的位置依赖于K/D而不依赖于Re，所以在这种情况下CD是恒定的[22]。和CD相类似，Shih等[23]认为基底压力系数和最小压力系数的差在光滑圆柱上是和雷诺数相关的，和粗糙圆柱是不同的。粗糙圆柱体的基底压力系数和最小压力系数的差值由雷诺数Re和粗糙度的不同而改变。并且分离点角度大概在85°到90°之间。当圆柱粗糙度在3.0×10-4—1.01×10-2范围内，St近似恒定在0.2，粗糙度更的圆柱体产生的St值略低于0.2[24]。Zan等[25]指出在光滑圆柱体在连续流中只有当雷诺数达到几百万的数量级才能恢复到规则性的旋涡脱落而粗糙圆柱却可以在雷诺数只有4×105的情况下恢复到规则性的旋涡脱落。Ma等[26]通过粗糙圆柱体的振动试验，发现K/D=0.019%和K/D=0.125%时可以有效的降低雷诺数变化过程中引起的横风向振动。ZhouB等[27]通过对粗糙度不同的网状物、砂纸和酒窝坑进行分析雷诺数2×104<Re<8×104范围内酒窝坑圆柱减阻约30%，粗糙圆柱减阻20%左右，并且升力系数脉动值相对于光滑圆柱减校KiuKY等[28]通过不同粗糙度圆柱体的涡激振动试验发现粗?
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