圆盘绕流的频谱特性和结构特征研究

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钝体绕流的研究有助于人们加强对流体边界层分离、涡旋脱落和能量输运等特性的认识。钝体绕流现象广泛存在于动力装置之中,对此研究不仅具有丰富的理论意义,而且极具实际工程价值。作为一种简单而典型的钝体结构,圆盘具有轴对称的几何特性,但其尾迹却较为复杂,具有非常明显的三维特性。本文采用多种方法对不同雷诺数下的圆盘绕流进行研究,各种方法相互对比和验证,以期对圆盘绕流有一个较为深入的理解和认识。同时,鉴于多孔圆盘在实际工程中的诸多应用,本文也初步探讨了其与实心圆盘绕流之间的差异之处,具体的工作包括以下几个方面:  (1)从理论上对圆盘绕流的特点进行分析,总结了其尾迹流形、特征参数、升阻力系数、频率特性和结构特征等,同时探讨了多孔圆盘绕流的动力学特性;  (2)米用染色法对低雷诺数时圆盘绕流进行流场显示实验,研究其尾迹结构随雷诺数的演化过程;  (3)利用大涡模拟和热线测速的结果,结合小波分析方法,对圆盘绕流尾迹的频谱特性进行分析;  (4)采用粒子图像测速(PIV)方法对高雷诺数实心和多孔圆盘绕流进行研究,比较分析两者统计特性和相干结构之间的差异。  基于上述研究,可以得到如下结论:  (1)流动显示结果表明:当Re<135时,尾迹流场具有稳定的轴对称环状涡结构;当135≤Re<158时,尾迹流场呈现出面对称结构;当158≤Re<175时,尾迹流场发展为面对称的发卡状结构,该结论与大涡模拟的结果相一致;  (2)频谱分析表明:圆盘尾迹内的涡旋自然脱落频率约为StV≈0.11~0.14,K-H不稳定性对应的高频率为StKH≈1.2~1.6,除此之外还存在两个低频率StL1≈0.02和StL2≈0.03,其中发StL1≈0.02与涡旋脱落周向旋转有关,而StL2≈0.03与回流区的伸缩运动有关;  (3)粒子图像测速结果表明:多孔圆盘绕流的回流区可分为两部分,分别为靠近圆盘背面由于射流作用形成的多个小回流区和位于0.9<x/D<1.75的一个较大回流区。进一步关于实心和多孔圆盘绕流的对比表明:多孔结构使得其尾迹内的速度亏损和恢复速率降低,同时在x/D=1、3、5处雷诺正应力的分布具有对称性而雷诺切应力呈现出反对称特性。
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