旋轉(zhuǎn)圓柱與拍動絲線復(fù)雜繞流的數(shù)值模擬研究.pdf

1、涉及流固耦合的復(fù)雜繞流是自然界和工程領(lǐng)域常見的現(xiàn)象，具有廣泛的基礎(chǔ)和應(yīng)用背景。本文采用格子玻爾茲曼方法、有限差分法、及浸入邊界法（反彈邊界法）相結(jié)合的方法，數(shù)值研究了三個典型的復(fù)雜繞流問題。主要工作及研究成果如下:
　　(1)研究了旋轉(zhuǎn)圓柱尾流中圓柱的繞流問題。根據(jù)兩圓柱間隙中和下游圓柱尾流的流動特征，發(fā)現(xiàn)了extended-body(EB)、reversed reattachment(RR)、reattachment(RA)、d

2、etachment(DA)、及co-shedding(CS)五類流動模態(tài);在reversed reattachment模態(tài)中，上游圓柱逆時針旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致下游圓柱迎風(fēng)面的剪切層向上游延伸，附觸上游圓柱上表面的剪切層;基于(α，S/D)參數(shù)平面的模態(tài)相圖，獲得了間距比S/D漸增導(dǎo)致的模態(tài)轉(zhuǎn)變路徑。發(fā)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)變路徑相似時，升阻力系數(shù)和Strouhal數(shù)隨間距比S/D的變化特征也相似。低旋轉(zhuǎn)率α=0.1～0.25時，流動模態(tài)及其轉(zhuǎn)變路徑與串置靜止雙

3、圓柱情形相似;高旋轉(zhuǎn)率α=2.0～3.0時，流動模態(tài)為RR和DA，與靜止雙圓柱情形完全不同。此外，當(dāng)α=0～1.25時，RA-CS流動模態(tài)轉(zhuǎn)變導(dǎo)致上/下游圓柱的平均阻力系數(shù)、升力均方根值及脫渦頻率陡增;當(dāng)α=2.75～3.0時，RR-DA流動模態(tài)轉(zhuǎn)變導(dǎo)致上游圓柱的平均阻力系數(shù)陡增，下游圓柱在α=3.0，S/D=1.4時獲得推力。
　　(2)研究了旋轉(zhuǎn)圓柱尾流中的柔性絲線拍動模態(tài)。根據(jù)拍動絲線形成的包絡(luò)圖，發(fā)現(xiàn)了反向、纏繞和正向拍動

4、三類主要模態(tài)，其中反向和正向拍動模態(tài)分別包含以下典型亞模態(tài):反向單側(cè)拍動模態(tài)、反向雙側(cè)拍動模態(tài)、反向靜止模態(tài);正向單側(cè)拍動模態(tài)、正向雙側(cè)拍動模態(tài)、正向靜止模態(tài);基于(α，G/D)參數(shù)平面的模態(tài)相圖，獲得了絲線圓柱間距比G/D漸增導(dǎo)致的反向-正向模態(tài)的主要模態(tài)轉(zhuǎn)變路徑;通過分析不同模態(tài)的典型尾渦結(jié)構(gòu)，探討了柔性絲線拍動模態(tài)形成的流動機(jī)理;此外，發(fā)現(xiàn)在特定參數(shù)下，絲線拍動可產(chǎn)生明顯的反饋作用:完全抑制旋轉(zhuǎn)圓柱尾流脫渦或促進(jìn)尾渦生成脫瀉，導(dǎo)致

5、旋轉(zhuǎn)圓柱減阻甚至產(chǎn)生推力或明顯增阻。
　　(3)研究了絲線干擾下的串置雙圓柱繞流，絲線簡支固定于雙圓柱間隙之中。根據(jù)間隙中的脫渦情況，發(fā)現(xiàn)無渦脫瀉的RA(reattachment)和有渦脫瀉的CS(coshedding)兩種流動模態(tài);根據(jù)拍動絲線形成的包絡(luò)圖，發(fā)現(xiàn)了反向和正向拍動兩類主要模態(tài)，其中反向拍動模態(tài)包含:反向無纏繞(RU(reversed uncoiled））拍動模態(tài)、反向纏繞(RC(reversed coiled））拍

6、動模態(tài);正向拍動模態(tài)包含:正向無纏繞(NU(normal、uncoiled））拍動模態(tài)、正向纏繞(NC(normal coiled））拍動模態(tài)。基于(S/D，G/D)參數(shù)平面的流動-拍動模態(tài)相圖，發(fā)現(xiàn)在特定參數(shù)下，RU和RC拍動模態(tài)的絲線拍動均能抑制間隙中的渦脫瀉;NU和NC拍動模態(tài)的絲線拍動均不能抑制間隙中的渦脫瀉;RA流動模態(tài)在放置絲線后流動模態(tài)不變。雷諾數(shù)Re越低，圓柱間距比S/D越小，絲線長度L越長，間隙中的渦脫瀉越容易被抑制。