开缝圆柱流场数值模拟和PIV实验研究

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钝体绕流是最常见的物理现象,当流体流过钝体时,在一定的流动条件下会在钝体后部发生周期性的漩涡脱落现象,交替产生的周期性的漩涡会诱发与来流垂直方向上产生周期性的流体作用力。在圆柱的基础上进行修型、对圆柱进行开缝,研究开缝圆柱绕流流场结构及其变化的物理机制则尚未见很多的研究。   本文工作的核心内容是开缝修型对于圆柱尾流流动结构变化的影响,以及对于涡流溢放频率的调制作用。基于FLUENT软件平台采用LES(大涡模拟)的湍流模型模拟开缝圆柱在5组雷诺数(Re=1500、3000、4400、5600、12000)下的工况下三种不同缝隙宽(s/d=0.1、0.15、0.2)的开缝圆柱的漩涡脱落的周期变化。分析了开缝圆柱卡门涡的形成、发展和脱落的情况,并对三维卡门涡的不稳定性进行了分析。其次观察研究了开缝圆柱缝隙内部的流动状态,发现内部会有一连串的上下振荡的涡结构,由于圆柱的边界层吹吸的作用,来流与周期性的进入缝隙内部,卷绕形成一连串的漩涡,向上(下)运动,然后被“吹出”,进而影响圆柱尾部的流场结构,改变卡门涡街漩涡脱落的频率,使得斯特劳哈尔数St变大。   实验测量在厦门大学航空流体&PIV(FMPL)实验室的多功能实验平台中进行,实验内容包括定性流动显示和定量测量两部分,其中流动显示目的在于深入了解流动的物理机理;定量测量包括天平直接测力和近尾流流场的时序PIV测量。在不同来流速度下,对开缝圆柱绕流流场的特征进行了细致的PIV实验研究。   通过对PIV实验数据进行较系统的处理分析,得到了开缝圆柱与基准圆柱绕流尾流流场的瞬时流态以及时均分布特征。通过时序分析尾流流场的瞬时流态以及对比开缝圆柱及基准圆柱绕流时均尾流场结果,揭示了开缝圆柱缝隙结构对其周围和尾流场的影响,展现了近尾流区旋涡周期性生成及其脱落的演化过程。测试结果还获取了开缝圆柱与基准圆柱在不同来流速度下尾迹中旋涡的溢放频率。
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