低转速旋转圆盘上圆柱绕流研究

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工业旋转设备内广泛存在钝体绕流现象,为了研究旋转设备内钝体绕流过程的流动特性及基本规律,本文以染色水作为示踪剂,利用高频相机记录了旋转圆盘上圆柱绕流过程的流体流动特点。在实验研究的基础上,采用大涡模拟方法对低转速旋转圆盘上的圆柱绕流进行数值模拟研究,结果及结论如下:(1)利用高频摄像机记录旋转圆盘上圆柱绕流的尾迹。在转速为40rpm~90rpm的范围内,可以观测到清晰的涡旋轮廓,当转速变大(超过100rpm),圆柱绕流的边界层转捩为湍流状态,无法观测到涡旋的脱落过程。受科里奥利力的影响,低转速旋转圆盘上的圆柱绕流尾迹为曲线。研究结果显示,低转速旋转圆盘上涡旋以涡旋对的形式从圆柱两侧脱落,脱落后的涡旋对逐渐湮灭为平滑曲线。绕流形成的涡旋对的大小差异明显,大多数情况下脱落涡旋对的内侧涡旋环面积小于外侧涡旋环。(2)通过模拟研究获得低转速旋转圆盘上的圆柱绕流的压力系数,表面摩擦系数及升力系数,研究结果显示,低转速旋转圆盘上圆柱绕流的压力系数沿柱体表面呈不对称分布,圆柱体外侧表面所受的压力明显小于内侧表面,这与重力场明显不同。在3123≤Rer≤7026,1406≤Rej≤2461的范围内,前驻点的压力系数随着旋转雷诺数的增大而增大,后驻点的压力系数随着旋转雷诺数的增大而减小,与旋转雷诺数对平均压力系数的影响相反,前驻点处的平均压力系数随着进口雷诺数的增大减小,后驻点处的压力系数随着进口雷诺数的增大而增大。圆柱表面的平均升力系数随着进口雷诺数的增大而增大,随着旋转雷诺数的增大而减小。(3)通过圆柱体表面的表面摩擦系数最小值的位置确定圆柱体表面的分离点位置,从而确定分离角的值。随着进口雷诺数的增加,表面摩擦系数的最小值开始向后驻点移动,说明分离点也在向后驻点移动。与进口雷诺数对圆柱体表面摩擦系数的影响相反,旋转雷诺数越大,第一分离点的位置逐渐向前驻点的方向移动。对不同条件下模拟得到的分离角和实验结果进行比较发现低转速旋转圆盘上的圆柱绕流的分离角分布范围为100°<θs<155°,实验分离角与模拟分离角的平均误差为8.2%,最大误差不超过33%。(4)通过计数转盘旋转一周的时间内,从圆柱体表面脱落的涡旋数量得到实验涡旋脱落频率,通过对监测的瞬时升力系数的时域分布进行快速傅里叶变换(FFT)得到模拟涡旋脱落频率,结合来流速度,从而获得旋转圆盘上圆柱绕流的St数,模拟研究结果及实验结果均显示,St数随旋转雷诺数的增大而增大,随进口雷诺数的增大而减小。St数的模拟结果与实验结果的最大误差不超过10%。研究结果为工业旋转设备内钝体绕流及其应用提供基础数据和理论依据。
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