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圆柱绕流二维大涡模拟与涡量耗散

苑明顺  
【摘要】:高雷诺数圆柱绕流是钝形体涡脱落机理及其有关的流动分离,旋涡流研究的典型课题,也是现代海洋工程、水利工程及航空工程等应用领域急待研究的问题之一。本文采用弱压缩流动方程、大涡模拟方法和复合式柱面固壁边界条件,研究了亚临界区(Re=1.4×10~5)绕流的二维模拟方法和涡量耗散对模拟结果的影响。通过将计算结果与前人的试验资料以及离散涡方法的研究结果对比分析得知,在无涡量耗散时,上述二维数值模型所计算的诸多流动参量,如Strouhal数、时均阻力、柱面时均压力分布、涡街的几何特征、以及柱后5倍直径范围内的时均流速分布等皆十分合理。但是,旋涡强度衰减缓慢,使远离圆柱的下游尾迹中时均流速分布偏离实际较大,而且圆柱的升力振幅与阻力波动偏大。为了克服上述模型的缺陷,本文由三维涡量传输方程出发,研究了在二维模型中模拟涡量耗散效应的方法,并提出了涡量耗散的简单模型。计算结果表明,引入涡量耗散后,旋涡强度的沿程衰减趋于合理,升力振幅与阻力波动减小,但Strouhal数、时均阻力、柱面时均压力分布以及涡街的几何特征等却变化甚微。从而说明了涡量耗散机制对钝形体绕流特性的影响。

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