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粘弹性流体的钝体绕流数值研究

彭赛  
【摘要】:向水中加入少量可溶性长链高分子聚合物可以得到粘弹性流体。本文通过商用计算软件Fluent的二次开发,对粘弹性流体的各种相关流动进行了仿真模拟。首先本文对比了粘弹性流体裂缝流动精确解与软件仿真计算的结果,之后与文献二维粘弹性流体圆柱绕流仿真结果进行了定量对比,并定性对比了三维粘弹性流体的圆柱绕流的流场特性。这些对比表明本文使用的方法在求解粘弹性流体的各种流动时具有较高的精度和计算稳定性。其次,本文研究了雷诺数为1000的粘弹性流体流经0度到20度攻角的NACA0012翼型的流动,以及雷诺数100的二维、雷诺数300的三维圆柱不同转速的粘弹性流体旋转绕流。这些研究表明在中等雷诺数条件下,聚合物添加会极大地改变流场的流动模式,并使得流场在不同的参数空间(魏森贝格数、翼型攻角、旋转速度)呈现出不同的流动形态。对于所研究的两种流动,在高攻角和高转速的牛顿流体中,尾流场都会变现得不对称并触发钝体产生非零升力系数,而聚合物添加都会使得流场不对称弱化,这主要由于弹性应力的存在会使得流场内压强重新分布。之后本文研究了雷诺数30到500的粘弹性流体的单自由度圆柱绕流涡激振动。研究表明聚合物添加在低雷诺数和中等雷诺数条件下都会起到抑制圆柱涡激振动的效果。具体地,在低雷诺数条件下,聚合物添加会提高涡激振动的触发雷诺数;在中等雷诺数下,本文得出聚合物添加的减振效率与魏森贝格数正相关,而与雷诺数负相关的结论,并获得了它们之间的影响规律。最后一部分,本文用三维大涡模拟模拟了雷诺数10000的细长体钝体绕流。数值模拟的结果表明聚合物添加可以极大地改变流场的三维结构,并使得流场更为规整。在小魏森贝格数时,本文计得到圆柱阻力系数的减小,但在高魏森贝格数,本文的计算结果未得到阻力系数的减小。


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