单、双类圆柱型杆件绕流的大涡模拟研究
发布时间：2022-01-20 19:43
通过建立不同拔模角的渐变截面正圆柱型、斜体圆柱型杆件以及阶梯圆柱杆件模型,包括单杆件与双杆件,采用大涡模拟的数值方法,采取涡粘性亚格子Smagorinsky模型封闭方程,对高雷诺数下类圆柱型杆件的绕流流动进行研究。在增加横向速度的条件下,分析了各类杆件模型气动载荷的时域、频域特性,得到了阻力系数、升力系数、周向压力系数的分布规律;分析了尾流漩涡的变化规律,以及由于涡的交替脱落导致的杆件壁面压力的变化。计算结果表明单杆件模型中当拔模角增大时阻力系数的幅值在时间周期上延后出现且幅值减小;双杆件模型中则是拔模角为3°的工况,但斜体放置时拔模角为1°主频最大,同时存在低频的峰值。周期内涡旋脱落产生一个周期升力变化的同时,产生1.5个周期的阻力变化。在气动载荷中升力系数受复杂工况的影响最大,阶梯圆柱型杆件的气动力稳定性较好。拔模角及横向风速影响杆件尾流的分布规律,使得涡的脱落点沿倾角及横向风速的下游方向偏移。
【文章来源】：机械设计与制造. 2019,(11)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
渐变截面圆柱型杆件Fig.1TheGeometricModelofVariableCross-SectionMember竖直方向7.8793°15.7586°20（c）（d）
方程：坠坠t（ρu軈i）+坠坠xjρ（u軈iu軈j）=-坠P軈坠xi+坠坠xjμ坠u軈i坠xj軈軈+坠（ρu軈iu軈j-ρu軈iu軈j）ρxj（2）式中：ρu軈iu軈j-ρuiuj—亚格子雷诺应力τij，表示了小尺度涡对大尺度涡的影响[9-11]。2.2物理模型建立渐变截面正圆柱型杆件、渐变截面斜体圆柱型杆件及阶梯圆柱型杆件的模型，每个模型包括单、双杆件两种工况，柱型杆件的拔模角以θ表示，如图1、图2所示。图1中（a）、（b）分别为单、双渐变截面正圆柱型杆件模型，（c）、（d）分别为单、双斜体渐变截面圆柱型杆件模型，其中拔模角θ为1°、2°、3°。θθθ404020准10准10（a）（b）准1040准1040θθθ竖直方向7.8793°15.7586°20（c）（d）图1渐变截面圆柱型杆件Fig.1TheGeometricModelofVariableCross-SectionMember每个模型工况中拔模角θ为1°、2°、3°，可将模型按工况编号为I、II、III到X、XI、XII，如表1所示。表1模型及工况Tab.1TheModelandConditions模型杆件数工况渐变截面正圆柱型杆件单杆件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ双杆件Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ渐变截面斜体圆柱型杆件单杆件Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ双杆件Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ阶梯圆柱型杆件单杆件XIII双杆件XIV阶梯圆柱型杆件模型，如图2所示。其中，（a）、（b）分别表示单、双阶梯圆柱型杆件，工况编号为XIII、XIV。准72020准10准7准720202020准10准10（
??た?渐变截面正圆柱型杆件单杆件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ双杆件Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ渐变截面斜体圆柱型杆件单杆件Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ双杆件Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ阶梯圆柱型杆件单杆件XIII双杆件XIV阶梯圆柱型杆件模型，如图2所示。其中，（a）、（b）分别表示单、双阶梯圆柱型杆件，工况编号为XIII、XIV。准72020准10准7准720202020准10准10（a）（b）图2阶梯圆柱型杆件Fig.2TheGeometricModelofLadderMember所有模型采用相同的计算域进行模拟，如图3所示。计算域长度约为60倍杆件直径，其中杆件上游区域为10R，下游区域约50R。经过验证，该计算域长度可满足消除边壁对绕流场的压缩效应。对杆件以及杆件周围流场区域进行加密，边界层的首层网格在0.08mm以内，计算域网格总数约在（300~500）万之间。40θ准10准600100100YXZ图3计算域网格的划分Fig.3TheMeshofGeometricModel2.3边界条件来流速度参考高速列车的速度，设定为350km/h，同时考虑到工程实际情况，横风风速设定为15m/s，绕流的最大雷诺数约为6.27×104。边界入口为速度入口，出口为压力出口；速度入口的速度为沿x正方向，其速度为350km/h；压力出口的相对大气压设定为0Pa；计算域中的横风沿+y方向。2.4计算方法的验证Ahmed钝体是经典的柱体与类柱体结构的组合，国内外学者对Ahmed钝体进行了深入研究，可借鉴相关结论验证模拟方第11期赵萌等：单、双类圆柱型杆件绕流的大涡模拟研究127
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维有限长圆柱绕流数值模拟[J]. 王晓聪,桂洪斌,刘洋. 中国舰船研究. 2018(02)
[2]基于自由变形技术的Ahmed模型气动减阻优化[J]. 汪怡平,郭承奇,王涛,黎帅,姚云龙. 北京理工大学学报. 2018(03)
[3]高雷诺数下串列双圆柱绕流的影响因素研究[J]. 崔维征,秦文彬,张宪堂,李朋,张明光. 水利水电技术. 2018(02)
[4]25°Ahmed模型射流主动控制气动减阻策略[J]. 张英朝,杜冠茂,朱会,田思. 同济大学学报(自然科学版). 2018(01)
[5]圆柱绕流研究进展及展望[J]. 武玉涛,任华堂,夏建新. 水运工程. 2017(02)
[6]串列双圆柱绕流的大涡模拟分析[J]. 孙涵,赵瑞亮,韩冰,李斌,马旭. 港工技术. 2017(01)
[7]长大编组高速列车横风气动特性研究[J]. 尚克明,杜健,孙振旭. 北京大学学报(自然科学版). 2016(06)
[8]高雷诺数槽道湍流的壁面模化大涡模拟研究[J]. 李蒙,涂正光,徐晶磊. 航空动力学报. 2015(11)
[9]基于CFD的圆柱绕流流场特性分析[J]. 苏立国,顾继俊,段梦兰,郭中云,邱盼,张杰. 石油矿场机械. 2015(04)
[10]基于Fluent的高速受电弓明线运行时周围流场数值模拟[J]. 杨建鸣,姜旭,孟强. 现代机械. 2012(03)
本文编号：3599411
【文章来源】：机械设计与制造. 2019,(11)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
渐变截面圆柱型杆件Fig.1TheGeometricModelofVariableCross-SectionMember竖直方向7.8793°15.7586°20（c）（d）
方程：坠坠t（ρu軈i）+坠坠xjρ（u軈iu軈j）=-坠P軈坠xi+坠坠xjμ坠u軈i坠xj軈軈+坠（ρu軈iu軈j-ρu軈iu軈j）ρxj（2）式中：ρu軈iu軈j-ρuiuj—亚格子雷诺应力τij，表示了小尺度涡对大尺度涡的影响[9-11]。2.2物理模型建立渐变截面正圆柱型杆件、渐变截面斜体圆柱型杆件及阶梯圆柱型杆件的模型，每个模型包括单、双杆件两种工况，柱型杆件的拔模角以θ表示，如图1、图2所示。图1中（a）、（b）分别为单、双渐变截面正圆柱型杆件模型，（c）、（d）分别为单、双斜体渐变截面圆柱型杆件模型，其中拔模角θ为1°、2°、3°。θθθ404020准10准10（a）（b）准1040准1040θθθ竖直方向7.8793°15.7586°20（c）（d）图1渐变截面圆柱型杆件Fig.1TheGeometricModelofVariableCross-SectionMember每个模型工况中拔模角θ为1°、2°、3°，可将模型按工况编号为I、II、III到X、XI、XII，如表1所示。表1模型及工况Tab.1TheModelandConditions模型杆件数工况渐变截面正圆柱型杆件单杆件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ双杆件Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ渐变截面斜体圆柱型杆件单杆件Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ双杆件Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ阶梯圆柱型杆件单杆件XIII双杆件XIV阶梯圆柱型杆件模型，如图2所示。其中，（a）、（b）分别表示单、双阶梯圆柱型杆件，工况编号为XIII、XIV。准72020准10准7准720202020准10准10（
??た?渐变截面正圆柱型杆件单杆件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ双杆件Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ渐变截面斜体圆柱型杆件单杆件Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ双杆件Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ阶梯圆柱型杆件单杆件XIII双杆件XIV阶梯圆柱型杆件模型，如图2所示。其中，（a）、（b）分别表示单、双阶梯圆柱型杆件，工况编号为XIII、XIV。准72020准10准7准720202020准10准10（a）（b）图2阶梯圆柱型杆件Fig.2TheGeometricModelofLadderMember所有模型采用相同的计算域进行模拟，如图3所示。计算域长度约为60倍杆件直径，其中杆件上游区域为10R，下游区域约50R。经过验证，该计算域长度可满足消除边壁对绕流场的压缩效应。对杆件以及杆件周围流场区域进行加密，边界层的首层网格在0.08mm以内，计算域网格总数约在（300~500）万之间。40θ准10准600100100YXZ图3计算域网格的划分Fig.3TheMeshofGeometricModel2.3边界条件来流速度参考高速列车的速度，设定为350km/h，同时考虑到工程实际情况，横风风速设定为15m/s，绕流的最大雷诺数约为6.27×104。边界入口为速度入口，出口为压力出口；速度入口的速度为沿x正方向，其速度为350km/h；压力出口的相对大气压设定为0Pa；计算域中的横风沿+y方向。2.4计算方法的验证Ahmed钝体是经典的柱体与类柱体结构的组合，国内外学者对Ahmed钝体进行了深入研究，可借鉴相关结论验证模拟方第11期赵萌等：单、双类圆柱型杆件绕流的大涡模拟研究127
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维有限长圆柱绕流数值模拟[J]. 王晓聪,桂洪斌,刘洋. 中国舰船研究. 2018(02)
[2]基于自由变形技术的Ahmed模型气动减阻优化[J]. 汪怡平,郭承奇,王涛,黎帅,姚云龙. 北京理工大学学报. 2018(03)
[3]高雷诺数下串列双圆柱绕流的影响因素研究[J]. 崔维征,秦文彬,张宪堂,李朋,张明光. 水利水电技术. 2018(02)
[4]25°Ahmed模型射流主动控制气动减阻策略[J]. 张英朝,杜冠茂,朱会,田思. 同济大学学报(自然科学版). 2018(01)
[5]圆柱绕流研究进展及展望[J]. 武玉涛,任华堂,夏建新. 水运工程. 2017(02)
[6]串列双圆柱绕流的大涡模拟分析[J]. 孙涵,赵瑞亮,韩冰,李斌,马旭. 港工技术. 2017(01)
[7]长大编组高速列车横风气动特性研究[J]. 尚克明,杜健,孙振旭. 北京大学学报(自然科学版). 2016(06)
[8]高雷诺数槽道湍流的壁面模化大涡模拟研究[J]. 李蒙,涂正光,徐晶磊. 航空动力学报. 2015(11)
[9]基于CFD的圆柱绕流流场特性分析[J]. 苏立国,顾继俊,段梦兰,郭中云,邱盼,张杰. 石油矿场机械. 2015(04)
[10]基于Fluent的高速受电弓明线运行时周围流场数值模拟[J]. 杨建鸣,姜旭,孟强. 现代机械. 2012(03)
本文编号：3599411
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