旋转圆柱绕流的数值模拟与PIV实验研究

发布时间：2017-04-08 18:01

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【摘要】：圆柱绕流一直是流体力学非常基础和重要的研究领域。相对于流场中的静止圆柱,旋转圆柱会明显改变流场的结构,使流动形态变得复杂。静止圆柱下游存在着周期性涡旋脱落,且圆柱会受到周期波动的升力作用,而旋转圆柱涡旋脱落形态、频率和圆柱的升力均发生明显变化,旋转圆柱流场与静止圆柱流场特征明显不同。投弃式海洋环境剖面测量探头就是一种旋转圆柱绕流问题,其工作时在洋流中以一定速度旋转。本文对旋转圆柱绕流的流场进行数值模拟与PIV实验研究,探讨圆柱旋转速度对流场的影响。首先使用STAR-CCM+计算流体力学软件对旋转圆柱绕流进行模拟。模拟过程中,采用多面体网格对建立的圆柱及流场的几何模型进行网格划分;湍流模型采用比雷诺时均方程(RANS)更加精确的分离涡模型(DES)。通过改变圆柱旋转角速度,获得雷诺数Re=1000时旋转圆柱扰流的流场信息,提取圆柱的升力曲线、涡量图以及涡旋脱落频率,进而获得旋转速度比对圆柱所受升力、涡旋脱落频率及涡旋运动的影响规律。旋转圆柱绕流的实验研究在中低速循环水槽内进行,使用粒子成像速度仪(PIV)采样流场信息,获得雷诺数Re=1000不同圆柱旋转角速度时流场的信息。使用本征正交分解(POD)和动力模态分解(DMD)对获得的流场进行处理。通过本征正交分解,分析了流场空间尺度和能量分布随旋转速度比改变的规律;通过动力模态分析可以获得流场的动力学信息,得到流场的频率随旋转速度比改变的规律。综合数值模拟与实验研究结果,可得出如下结论:(1)在较低的旋转速度比时????0.20?圆柱的旋转使涡旋频率升高。(2)当旋转速度比超过2.0时涡旋的脱落受到抑制。(3)当旋转速度比超过2.0流场尺度变小,能量重新分布。
【关键词】：旋转速度比 涡旋脱落 频率 数值模拟 PIV 本征正交模态分解 动力模态分解
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ021.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 符号说明9-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 旋转圆柱绕流研究现状12-13
• 1.3 本文的研究方法和技术路线13-15
• 1.4 本文的研究内容15-17
• 第二章 旋转圆柱绕流数值模拟研究17-35
• 2.1 STAR-CCM+软件简介17
• 2.2 计算方法17-22
• 2.2.1 有限体积离散17-19
• 2.2.2 隐式分离求解19-21
• 2.2.3 湍流模型21-22
• 2.3 计算模型建立22-26
• 2.3.1 网格模型的导入22-25
• 2.3.2 计算边界条件25
• 2.3.3 数值计算过程25-26
• 2.4 计算结果分析26-33
• 2.4.1 升力系数随时间的变化曲线26-27
• 2.4.2 涡旋脱落频率27-30
• 2.4.3 涡旋运动规律30-33
• 2.5 本章小节33-35
• 第三章 旋转圆柱绕流的实验研究35-55
• 3.1 实验设备与装置35-36
• 3.1.1 中型低速循环水槽35
• 3.1.2 实验模型35-36
• 3.2 PIV技术36-37
• 3.2.1 二维PIV原理36
• 3.2.2 PIV系统组成36-37
• 3.3 实验测量方法37-39
• 3.3.1 PIV实验流程38-39
• 3.3.2 实验条件39
• 3.4 实验数据分析39-52
• 3.4.1 流场的频率特性39-43
• 3.4.2 POD方法及结果43-47
• 3.4.3 DMD方法及结果47-52
• 3.5 本章小结52-55
• 第四章 结论与展望55-57
• 4.1 结论55
• 4.2 展望55-57
• 参考文献57-61
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果61-63
• 致谢63

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本文编号：293378