钝体绕流数值模拟

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钝体是工程中常见的一种结构,以圆柱、梯形、方柱以及三角形为主,普遍存在于航天、交通等各个领域。在众多的钝体绕流研究中,方柱因其结构简单、便于控制等优点得到广泛应用。流体遇到方柱时流动状态发生改变,出现漩涡等涉及到分离、环绕、剪切等知识的现象,这些一直是流体力学中最为复杂的内容,对其进行深入研究具有重要意义。此外,百叶形叶片以其结构简单、性能优异的特点在制冷业、航空航天等领域具有广阔的应用前景,如若水处理设备中的静态混合器使用百叶形叶片将减少切向涡旋以此来改善初期管道絮凝反应。本文综述了国内外钝体绕流的研究进展,并使用数值模拟的方法从以下几个方面对两种典型钝体绕流进行研究:首先研究了方柱迎流面角度大小对流体运动状态的影响,通过对四种角度模型的数值模拟,研究了方柱尾流部位回流区长度与迎流面角度大小的关系;对方柱升力系数和阻力系数进行分析,结果表明随着角度的增加升力系数、阻力系数呈现先减小后增大的趋势,当12°时两者均达到最小值;对四种角度下流体在方柱周围的运动规律进行分析,发现流体在四种角度下发生流动分离的位置各不相同。其次考察了雷诺数对方柱流场特性的影响,通过LES方法研究了三种不同雷诺数下方柱绕流中各参数的变化规律,结果表明雷诺数的不同对方柱尾流部位回流区长度有一定影响;升力系数、阻力系数随着雷诺数的增大而增大,与迎流面角度相比雷诺数对升阻力系数的影响较小;方柱绕流中频率特性的研究是重点内容之一,在较低雷诺数时,不同角度下的频率值相差不大,随着雷诺数的增大在相同雷诺数下的频率值随着角度的不同发生较大差异。雷诺数是影响涡街脱落频率的主要因素,钝体角度对脱落频率的影响仅在高雷诺数下比较明显。采用k模型和方法进行模拟研究,将数值模拟结果与实验数据进行对比,发现应用在计算回流区长度、升力、阻力系数时,其计算精度都高于模型。同时,由于百叶形叶片具有较强的实用性,本文对多种雷诺数下百叶形叶片的绕流特性进行研究,分析了尾流区的涡街脱落频率、斯特劳哈尔数、升力和阻力系数与雷诺数之间的关系;并对同一雷诺数下五种攻角模型进行模拟分析,研究攻角大小对流场特性的影响作用。本文的研究内容对相关领域的理论发展和实际应用都有重要的意义:方柱绕流在各工况下的研究对工程领域中建筑物的结构设计提供指导作用;百叶形叶片绕流的研究可以为之后静态混合器的改进方案打下基础。
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