磁场对圆柱绕流流动与换热规律的影响研究

发布时间：2020-07-16 03:38

【摘要】：圆柱绕流问题一直是流体力学中的经典问题,在高层建筑物的抗风领域和海洋工程领域均有广泛应用。历史上由于圆柱绕流产生的卡门涡街现象给各国都造成巨大的损失,为了避免卡门涡街对建筑物产生影响,经过研究人员的大量研究,目前较为成熟的消除圆柱后方卡门涡街的方法就是改变圆柱的形状以及给流体域施加洛伦兹力。但是给流体域施加磁化力却很少有论文去研究。针对消除圆柱绕流后方卡门涡街的问题,本文主要从给圆柱绕流施加磁化力,通过研究不同雷诺数下,不同磁场强度下圆柱绕流流场结构的变化情况来观察磁化力抑制卡门涡街的效果。分析了不同磁场强度下圆柱表面的换热情况,得到了磁场强度与圆柱表面换热之间的关系。本文采用ANSYS来计算磁化力,采用CFX来计算流场,并实现ANSYS和CFX之间的单向耦合。结果表明磁化力会消除圆柱绕流后方的卡门涡街,在雷诺数不变的情况下,当磁场强度为0.5T时,磁化力不足以抑制圆柱后方的卡门涡街;当磁场强度为1T时,在距离圆柱较近的地方,磁化力可以抑制涡脱落,在距离圆柱较远的地方,磁场力不能完全抑制涡脱落;当磁场强度增大到1.5T时,磁化力可以完全抑制卡门涡街,圆柱后方呈现明显的射流现象。随着磁场强度增大,圆柱后方滞留区逐渐减小,直至消失。随着磁场强度的增大,圆柱壁面的平均Nu数则先减小后增大。Re数越大,Nu数最小值就越靠后,且Nu数最小值均处于磁化力抑制卡门涡街的过渡状态。在相同Re数下,随着磁场强度的增加,流体在圆柱上下壁面处传热效果最好,在前驻点处传热效果较差,在后驻点处传热效果最差。随着磁场强度的增大,流体的阻力系数逐渐减小,Re数越小,阻力系数减小的越快,Re数越大,阻力系数减小的越慢。当磁场强度从0增加3.5T时,Re=50的流体阻力系数从2.17减小到-4.88,减小了324.88%。Re=300的流体阻力系数从1.63减小到1.20,减小了26.38%。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O357.5;TK124
【图文】：

兰州交通大学硕士学位论文柱绕流和磁化力耦合计算方法的介绍圆柱绕流模型 圆柱绕流计算模型本文模型如下图 2.1 所示，圆柱绕流模型分为两个部分。其中直径 D=0.025m，通=26D，宽 W=0.1D，高 H=7D。其中圆柱中心距离入口处为 5D，距离流体域上下为 3.5D。

圆柱壁面示意图

磁场对圆柱绕流流动与换热规律的影响研究如图 2.2 所示，整个圆柱展向壁面分成 4 个面积相等的壁面，分别是圆柱上侧壁面，圆柱下侧壁面，圆柱左侧壁面和圆柱右侧壁面，在后续表格中分别用 T、B、L、R 代表上、下、左、右四个壁面。此外，本文后面计算圆柱壁面局部 Nu 数均是从 θ=0°的位置开始，沿顺时针旋转。其中 θ=90°的位置是圆柱后驻点，θ=270°的位置是圆柱前驻点。2.1.2 计算域的组成整个模型的计算域分为两部分，一部分为磁场计算域，一部分为流体计算域，磁场计算域是由流体计算域和永磁体和包裹计算域的空气域一起构成的，用来计算永磁体周围产生的磁化力。流体计算域用来模拟流体圆柱绕流。整个模型采用结构化六面体网格，为了保证圆柱近壁面处流体流动与传热的精确度，本文在圆柱近壁面处采用 O 型网格对网格进行加密，如图 2.3 所示。

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