定常吸气和组合气动控制下椭圆柱体的流动性能及控制机理研究

发布时间：2020-05-20 11:22

【摘要】：旋涡的交替脱落会在建筑的下游表面产生交替变化的低压区,并形成显著的横风向气动力。如果结构的自振频率与旋涡脱落频率一致,结构将发生大幅振动,并最终导致结构发生破坏。因此,本研究是围绕椭圆柱体绕流的流动特性及其旋涡脱落控制而开展的,通过对椭圆柱体的流场和旋涡脱落进行控制,从而解决土木工程结构抗风设计中的气动问题,改善其抗风性能。本文对4个雷诺数为6.90×10~4的椭圆柱模型(分别标记为E1~E4模型)的气动性能和流场特性进行测压试验和PIV(particle image velocimetry,粒子图像测速)试验研究。对于E1,E2和E3模型而言,它们的长轴与来流方向平行,但吸气角位于不同的径向角(其中E1模型位于90°和270°,E2模型位于130°和230°,E3模型位于50°和310°)。对于E4模型而言,它的短轴与来流方向平行,且吸气角位于90°和270°。除此之外,3种气动控制措施被用来控制椭圆柱体的旋涡脱落,它们分别是吸气控制、被动气动控制(表面粗糙度)和组合气动控制(吸气+表面粗糙度)。分别对有无气动控制下的椭圆柱模型的表面风压系数分布、气动力系数及其功率谱密度函数等参数进行分析和比较,从而讨论不同试验模型的气动性能。此外,基于PIV试验结果,分析了有无气动控制下的椭圆柱体的时均流线图和瞬态流线图、归一化湍动能和涡旋强度,研究了椭圆柱体的流场特征。本文的主要工作包括以下4个方面:(1)吸气控制被用于减小椭圆柱体的风荷载,控制其旋涡脱落。分析了吸气孔方位角(E1~E3模型)、吸气流量系数(C_Q=0到C_Q=0.05)和模型放置方向(E1和E4模型)对椭圆柱体的气动力和尾流特征的影响。结果表明:当吸气流量系数由零增加到较小量时,多数模型的平均阻力系数显著减小,其中C_Q=0.01时,E1模型的平均阻力系数由0.689减为0.420,折减率为39.0%;C_Q=0.02时,E2模型的平均阻力系数由0.668减为0.109,折减率为83.7%;C_Q=0.01时,E4模型的平均阻力系数由1.563减为0.696,折减率为55.5%。此外,当吸气孔向下游移动时,即从50°(E3模型)到90°(E1模型),再到130°(E2模型),吸气控制模型的平均阻力系数同样剧烈减小,其中E2模型在C_Q=0.02时的平均阻力系数比相应的E1模型和E3模型分别小72.5%和76.3%。最后,给出了上述吸气控制模型的可视化流场,详细解释了不同气动性能的原因。(2)对3种表面粗糙度(相对粗糙度分别为k_s/D=0,5.3×10~(-4)和1.15×10~(-3))的椭圆柱体的气动特性和流场特征进行试验研究,分析了表面粗糙度的影响。结果表明:增加表面粗糙度对减小气动力系数具有显著效果,其中相对粗糙度为k_s/D=1.15×10~(-3)的模型相对于光滑模型(k_s/D=0)而言,可减小平均阻力系数32.9%、脉动阻力系数26.2%,以及脉动升力系数19.8%,具有较好的气动力控制效果。此外,PIV试验结果也验证了粗糙度能有效减小湍动能和控制旋涡脱落。(3)对不同组合气动控制下(表面粗糙度+吸气控制)椭圆柱体的气动特性和流场特征进行试验研究,分析了吸气流量系数、吸气孔位置和表面粗糙度的影响。结果表明:不同模型的平均阻力系数折减非常显著,其中E1、E2和E3模型的阻力系数最大折减分别可达86.6%、100%和30%,证明了组合气动控制比单纯的吸气控制或表面粗糙度措施更有效。(4)采用大涡模拟(LES)方法对椭圆柱体的吸气控制进行CFD数值模拟,分析了不同吸气孔位置(吸气孔以10°为间隔从70°增加到110°,对应的椭圆柱体被标记为H1~H5模型)对气动性能和流场特征的影响。采用风洞试验结果验证本文LES方法的准确性。结果表明:吸气孔位于模型背风面时(比如H5模型)的吸气控制效果明显优于吸气孔位于模型迎风时的(比如H1模型),吸气控制下H5模型的平均阻力系数和脉动升力系数分别为H1模型的12.7%和56.0%,可见吸气孔位置的影响非常显著。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O355

【参考文献】