低Re數(shù)下橫向排列雙圓柱繞流流動(dòng)特性與整體穩(wěn)定性分析.pdf

1、橫向排列雙圓柱繞流問(wèn)題是多柱繞流問(wèn)題的特例，它在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用，在理論上也有著重要的科學(xué)意義。本文從直接數(shù)值模擬和整體線性穩(wěn)定性角度著重對(duì)橫向排列靜止雙圓柱在不同圓柱間距情況的流動(dòng)特性、流動(dòng)模式分類、臨界Reynolds數(shù)、流動(dòng)分叉類型等方面進(jìn)行深入分析，對(duì)旋轉(zhuǎn)雙柱繞流的流動(dòng)特性也進(jìn)行了考察。主要工作及研究成果包括： (1)采用非結(jié)構(gòu)譜元法對(duì)相對(duì)于來(lái)流橫向排列的等直徑雙圓柱繞流進(jìn)行了直接數(shù)值模擬。考察了低Reynold

2、s數(shù)Re下無(wú)量綱圓心距T/D從1到3的流動(dòng)特性，根據(jù)計(jì)算所得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及兩圓柱的受力情況，將流動(dòng)分為3種亞臨界定常流動(dòng)模式：?jiǎn)吴g體定常流、過(guò)渡定常流和分離雙體定常流和5種超臨界周期流動(dòng)模式：?jiǎn)吴g體周期流、側(cè)偏周期流、間歇性側(cè)偏流、同步同相脫渦、同步反相脫渦及1種超臨界定常流動(dòng)模式：分離雙體非對(duì)稱定常流。在1

3、尤其在1.55≤T/D≤1.65區(qū)間，隨Re增大，流動(dòng)經(jīng)歷了上述所有定常流動(dòng)模式和兩個(gè)偏向流動(dòng)模式。另外，通過(guò)計(jì)算還證實(shí)了雙穩(wěn)現(xiàn)象。 (2)在無(wú)分裂誤差區(qū)域分解Stokes算法的譜元法基礎(chǔ)上，運(yùn)用Newton-Krylov方法迭代求出一定Re下的定常流場(chǎng)，再用Arnoldi方法求出該定常流場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)特征值和特征向量，首次系統(tǒng)地對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了整體線性定性分析。分析表明3種亞臨界定常流模式之間只是流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分叉，Navier-Stok

4、es方程并沒(méi)有發(fā)生分叉，隨Reynolds數(shù)增加定常流動(dòng)對(duì)應(yīng)的最大增長(zhǎng)率始終為負(fù)，只是最優(yōu)特征值與次優(yōu)特征值次序發(fā)生了交換。從定常流模式到周期流模式均是Hopf分叉，隨Re增大對(duì)應(yīng)定常解的最優(yōu)特征值從實(shí)軸上下兩側(cè)穿過(guò)虛軸。在1約為單圓柱繞流臨界Re<,CS>一半左右，在T/D>1.65時(shí)，臨界Rec稍大于Re<,CS>，并在T/D足夠大后趨于Re<,CS>(≈47)。而從對(duì)稱分離雙體定常流到非對(duì)

5、稱雙體定常流是又式分叉，在臨界Re<,C>數(shù)附近，隨Re數(shù)增大最優(yōu)特征值沿實(shí)軸穿過(guò)虛軸。也即是說(shuō)在11.65流動(dòng)只有一個(gè)臨界Re<,C>數(shù)，而在1.55≤T/D<1.65流動(dòng)有兩個(gè)臨界Re<,>數(shù)。 (3)采用直接數(shù)值模擬方法研究了旋轉(zhuǎn)雙圓柱的流動(dòng)特性，考察參數(shù)為T/D=1.6，3.0，Re=100，S=1，2，3，4共計(jì)24種情況。對(duì)兩柱具有相同旋轉(zhuǎn)方向(AA方式)的流動(dòng)，在小間距時(shí)兩圓柱尾跡相互耦

6、合在一起，隨著S增加，流場(chǎng)從無(wú)規(guī)則流動(dòng)變?yōu)橛幸?guī)律的卡門渦街，并最終變?yōu)闊o(wú)脫渦定常流動(dòng)。大間距時(shí)，兩圓柱各自形成卡門渦街，但隨S增加，上圓柱率先進(jìn)入無(wú)脫渦模式。加速型旋轉(zhuǎn)方式(AC方式)的雙柱繞流流動(dòng)在小間距時(shí)隨S增大流動(dòng)模式由間歇側(cè)偏流動(dòng)向同步反相脫渦變化，而在大間距時(shí)隨S增大由同步反相脫渦模式變?yōu)闊o(wú)脫渦定常流動(dòng)。阻塞型旋轉(zhuǎn)方式(CA方式)的雙柱繞流流動(dòng)在小間距時(shí)類似于有勢(shì)勢(shì)流，而在大間距時(shí)，隨S增大，流場(chǎng)由同步反相脫渦模式變?yōu)闊o(wú)脫渦的