椭圆柱绕流摆动的数值模拟与试验研究

摘要

为了分析椭圆柱绕流摆动规律,采用流固耦合数值模拟和物理模型试验方法对椭圆柱绕流进行了研究.首先,利用水槽试验台对椭圆柱在水流绕流作用下的摆动规律进行了试验,得到了不同长短轴比、不同偏心距离比以及不同雷诺数的椭圆柱摆动角度和摆动频率.其次,利用计算流体动力学(CFD)—刚体动力学(RBD)耦合模型进行了椭圆柱绕流摆动的双向流固耦合数值模拟.通过求解二维非定常不可压缩粘性流体N-S方程和SST(Shear Stress Transport)k-ω湍流模型控制方程,研究不同长短轴比、不同偏心距离比以及不同雷诺数的椭圆柱绕流的流动特征,分析了不同工况下椭圆柱绕流的运动和流动规律.通过数值结果与试验结果的对比,验证了数值模拟与试验结果的一致性.结果表明,椭圆柱的摆动角度θ随着长短轴比和偏心距离比的增大而增大,雷诺数对椭圆柱的摆动角度影响不显著;椭圆柱的的摆动频率和雷诺数呈良好的线性递增长关系,但长短轴比和偏心距离比对椭圆柱的摆动频率影响不显著.分析了椭圆柱绕流的尾流演变以及瞬时压力系数的变化,揭示了椭圆柱绕流摆动的机理,为利用椭圆柱开发海洋海流能和低水头水能资源提供依据.