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圆柱绕流力学系数分析

 论文栏目:力学工程发展研究论文     更新时间:2012-10-11 16:18:43   

本文作者:毕继红 任洪鹏 丁代伟 于会超 单位:天津大学建筑工程学院 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室

针对双圆柱绕流现象,很多学者做了大量的实验研究,Zdravkovinch实验结果表明,圆柱在各种排列方式下都存在一个临界间距,超过临界间距时,旋涡脱落频率、压强系数、升力系数和阻力系数都会发生较大变化,对于串列双圆柱绕流,Ishigai的实验结果测得临界间距为3.8D[1]。Bokaian和Rika等针对串列双圆柱的上下游圆柱进行了实验研究,当下游圆柱处于上游圆柱的尾流区域中时,上游圆柱的涡脱落及尾流速度的变化对下游圆柱撞击的影响,使得下游圆柱的绕流现象变得更为复杂[2―3]。陈波等用PIV和压力传感器测量尾迹湍流的涡结构及频谱,研究了壁面对近壁等直径串列双圆柱尾迹特性的影响[4]。在数值计算方面,刘松等运用有限体积方法,选取间距比L/D在1.5~5.0之间8个有代表性的间距,对Re=200条件下串列放置的双圆柱的二维不可压缩流动进行了计算模拟,研究了两圆柱不同间距对圆柱间相互作用和尾流特征的影响[5]。黄钰期等人采用新的分块耦合方法,对不同间距条件下的串列双圆柱进行了数值模拟,得出结论为:两圆柱之间存在一个临界间距,超过此间距时上游圆柱发生旋涡脱落,两个圆柱的升阻力系数发生跳跃,升力系数的振幅突然增大[6];刘向军等采用格子Boltzmann方法,对比计算了双圆柱不同雷诺数、不同来流速度和不同圆心距情况下各个圆柱的受力大小和曳力系数,对低雷诺数下气体绕流圆柱的规律进行了研究[7]。MeneghiniJR等人采用分步法对二维串列双圆柱进行了数值计算,通过速度云图和流线图分析了上下游圆柱的旋涡脱落特点,得出临界间距在3D左右[8];吴国雄等人采用有限体积法,运用SIMPLE算法对二维串列双圆柱进行了数值模拟,探究了上下游圆柱在不同间距条件下的升力系数和阻力系数[9]。本文利用CFX软件,采用有限体积法,研究了雷诺数Re=200,不同间距时的串列双圆柱静止绕流现象,为工程研究和实践提供理论依据。

1圆柱绕流相关参数

圆柱绕流的相关参数主要有雷诺数Re、斯托罗哈数St、升力系数Cl和阻力系数Cd,下面给出各个参数的计算公式和物理意义。1)雷诺数Re圆柱绕流的状态和雷诺数有很大关系,雷诺数代表惯性力和粘性力之比:式中:为流体的密度;U为自由来流的平均速度;L为结构的特征尺寸(圆柱取直径D);为流体粘性系数;/为流体的运动学粘性系数。雷诺数较小时,惯性效应起较大作用,雷诺数较大时,粘性效应起较大作用。2)斯托罗哈数StStrouhal指出圆柱绕流后在圆柱后面可以出现交替脱落的旋涡,旋涡脱落频率、风速、圆柱直径之间存在一个关系:式中:St为斯托罗哈数,取决于结构的形状断面;fs为旋涡脱落频率;D为结构的特征尺寸(圆柱取直径D);U为来流速度。3)升力系数、阻力系数式中:Cl、Cd分别为升力系数、阻力系数;Fl、Fd分别为单位长度结构(圆柱)上的升力和阻力;为空气密度[10]。

2串列双圆柱绕流数值模型

流场计算域定为:流场进口距圆柱中心10D,出口距圆柱中心25D,上下边界距圆柱中心各为10D,两圆柱中心之间相距L,如图1所示。CFX软件计算二维流场在流场厚度方向取一个单元的长度,用三维流场近似代替。流场网格在圆柱周围加密,远离圆柱网格逐渐变稀疏,双圆柱绕流数值模型如图2所示,其中串列双圆柱的间距L=2D。模型的边界条件:进口(Inlet)采用风速条件,切向速度为零,指定法向速度;出口(Outlet)采用压力边界条件,平均静压为0;上下和前后侧面为对称(Symmetry)边界条件;圆柱表面为无滑移边界条件(Noslipwall)。

3串列双圆柱静止绕流的二维数值

模拟结果及分析选取上下游圆柱直径D=0.01m的二维流场数值模型,数值模拟不同间距情况下的双圆柱绕流。分别取间距L=1.5D、L=2D、L=3D、L=3.25D、L=3.375D、L=3.5D、L=3.625D、L=3.75D、L=4D,自由来流风速为0.3m/s,雷诺数Re=200,研究不同间距条件下的斯托罗哈数St、升力系数Cl和阻力系数Cd以及流场变化。

3.1上下游圆柱的斯托罗哈数分析本部分将给出了L=1.5D、L=2D、L=3D、L=4D时上下游圆柱的斯托罗哈数,并与文献[9]进行了对比,如表1所示。图3为上下游圆柱的斯托罗哈数St随L/D(圆柱中心间距与圆柱直径的比值)的变化规律。从图3和表1可以看出,不同间距情况下,上下游圆柱计算所得斯托罗哈数相同。本文斯托罗哈数的计算结果与文献[9]结果基本一致,两圆柱的斯托罗哈数均小于单圆柱,斯托罗哈数在L/D=3.375~L/D=3.5处突变增大。

3.2上下游圆柱的升力系数和阻力系数分析图4为上下游圆柱的阻力系数均值和升力系数幅值,随着L/D(圆柱中心间距与直径的比值)的变化曲线。其中,单圆柱曲线代表文献[9]中单圆柱静止绕流的阻力系数均值计算结果,上游和下游曲线分别为本文双圆柱绕流中上游和下游圆柱的阻力系数均值和升力系数幅值。从图4中可以看出:1)上游圆柱阻力系数均值始终大于下游圆柱;上游圆柱阻力系数均值始终为正值,并且随着间距的增加,逐渐趋向于单个柱体静止绕流情况下的计算结果。2)下游圆柱的阻力系数均值变化较大,在L=1.5D~L=3.375D时,下游圆柱的阻力系数均值为负值,说明下游圆柱受到了指向上游的吸力;在L=3.5D~L=4D时,下游圆柱的阻力系数均值为正值,说明下游圆柱受到了指向下游的推力;在L=3.375D~L=3.5D时,阻力系数突变增大,振动的周期性更加明显,但始终小于单个柱体静止绕流情况下的阻力系数均值。3)上游圆柱的升力系数幅值始终小于下游圆柱,L=3.375D~L=3.5D时两圆柱的升力系数幅值突变增大。从上述分析可知本文所模拟的串列双柱的静止绕流临界间距在3.375D~3.5D之间,和Ishigai实验数据认为临界间距为3.8D接近。

3.3流场随着间距的变化规律图5为t=7s时各间距下(L=1.5D、L=3D、L=3.375D、L=3.5D、L=4D)的流线图。从图5可以看出:1)L=1.5D时,流体流经上游圆柱产生明显的剪切层,并环绕在下游圆柱上面,上游圆柱并没有发生旋涡脱落;下游圆柱发生了旋涡脱落,上游圆柱对下游圆柱的来流有影响,通过阻力系数曲线可以看出下游圆柱阻力系数为负,并且此种工况下上下游的升力系数都比较小。2)L=3D、L=3.375D、L=3.5D时,上游圆柱后面出现两个明显的旋涡,并且上游流体分为两部分,交替覆盖下游圆柱,此工况上下游圆柱间的横向流动已经十分强烈,并且随着间距的增大横向流动越强,但是上游旋涡依然没有脱落;下游圆柱阻力系数依然为负,旋涡从圆柱后面交替脱落。3)L=4D时,上游圆柱产生旋涡脱落,其流动状态趋向于单个柱体。

4结论

本文应用流体力学计算方法,利用流体软件CFX对串列双圆柱的静止绕流进行了数值计算,分析了雷诺数Re=200,不同间距情况下串列双圆柱静止绕流的特点。总体而言,本文做了以下工作并得出相应结论:(1)上游圆柱与下游圆柱的斯托罗哈数的计算结果相等,并与文献结果基本一致,证明了本文计算的可靠性。(2)数值模拟了不同间距条件下的串列双圆柱绕流,得出临界间距在3.375D~3.5D之间。(3)对不同间距下的流线图进行了分析,随着间距的增大,上游圆柱的旋涡逐渐脱落,逐渐趋于单个柱体的静止绕流,下游圆柱始终存在旋涡脱落。


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