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方柱绕流减阻被动控制方法研究

徐亚坤  
【摘要】:在实际工程领域中,钝体绕流一直为人们所关注的焦点问题。本文采用数值模拟方法,研究了钝体绕流尾流特性及其规律特性。针对流体的不同流动状态,采用几种不同的被动控制方法,实现减小绕流方柱的流动阻力以及抑制其尾流振荡。当雷诺数较低时,即层流状态下,在方柱近尾流区域设置一对平行薄板或者增加一排栅栏,改变其尾流特性,进而实现流动减阻及抑制涡脱落的效果。当雷诺数较高时,即湍流状态下,在方柱后面连接一柔性薄板,通过流固耦合作用,实现减阻及控制尾流稳定性。本文的数值研究结果表明:在层流状态下,即60≤Re≤200时,在方柱近尾流区域加有一对平行薄板,可以改变其尾流特性。在一定间距下,平行薄板的存在可以“引导”方柱表面所形成的卡门涡街进入平行板之间,由此可使方柱绕流的临界雷诺数得以大幅度提高,从而延迟了方柱表面的涡脱落。而方柱绕流的特征系数,如升力系数的均方根值以及斯特劳哈尔数均降低。此外,平行薄板的存在可使方柱前驻点区以及后分离区的压差减小,从使得其流动阻力减小。其中在间隙比S/D=2.0,Re=150条件下,方柱的流动减阻效果最为显著,其减阻效果可达15.45%。而在方柱近尾流区域设置一排栅栏,可以分离或破碎已经方柱表面所形成的卡门涡街,使得尾流区的大涡结构变为小尺度涡,其减阻效果显著;在间隙比L~P/D=0.4,Re=150条件下,其流动减阻效果最为显著,减阻可达31.33%。在湍流状态下,利用双向流固耦合思想在方柱后表面设置一柔性薄板,涡脱落以及流型明显改变,对比单方柱,阻力系数平均值可降低34.6%,升力系数均方根值降低84.8%,流场震荡明显减低,St降低79.5%。


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