旋转圆柱绕流的数值模拟与PIV实验研究

摘要

圆柱绕流一直是流体力学非常基础和重要的研究领域。相对于流场中的静止圆柱，旋转圆柱会明显改变流场的结构，使流动形态变得复杂。静止圆柱下游存在着周期性涡旋脱落，且圆柱会受到周期波动的升力作用,而旋转圆柱涡旋脱落形态、频率和圆柱的升力均发生明显变化，旋转圆柱流场与静止圆柱流场特征明显不同。投弃式海洋环境剖面测量探头就是一种旋转圆柱绕流问题，其工作时在洋流中以一定速度旋转。本文对旋转圆柱绕流的流场进行数值模拟与PIV实验研究，探讨圆柱旋转速度对流场的影响。
　　首先使用STAR-CCM+计算流体力学软件对旋转圆柱绕流进行模拟。模拟过程中，采用多面体网格对建立的圆柱及流场的几何模型进行网格划分；湍流模型采用比雷诺时均方程（RANS）更加精确的分离涡模型（DES）。通过改变圆柱旋转角速度，获得雷诺数Re=1000时旋转圆柱扰流的流场信息，提取圆柱的升力曲线、涡量图以及涡旋脱落频率，进而获得旋转速度比对圆柱所受升力、涡旋脱落频率及涡旋运动的影响规律。
　　旋转圆柱绕流的实验研究在中低速循环水槽内进行，使用粒子成像速度仪（PIV）采样流场信息，获得雷诺数Re=1000不同圆柱旋转角速度时流场的信息。使用本征正交分解（POD）和动力模态分解（DMD）对获得的流场进行处理。通过本征正交分解，分析了流场空间尺度和能量分布随旋转速度比改变的规律；通过动力模态分析可以获得流场的动力学信息，得到流场的频率随旋转速度比改变的规律。
　　综合数值模拟与实验研究结果，可得出如下结论：(1)在较低的旋转速度比时2.0圆柱的旋转使涡旋频率升高。(2)当旋转速度比超过2.0时涡旋的脱落受到抑制。(3)当旋转速度比超过2.0流场尺度变小，能量重新分布。

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符 号 说 明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 旋转圆柱绕流研究现状

1.3 本文的研究方法和技术路线

1.4 本文的研究内容

第二章 旋转圆柱绕流数值模拟研究

2.1 STAR-CCM+软件简介

2.2计算方法

2.3 计算模型建立

2.4 计算结果分析

2.5 本章小节

第三章 旋转圆柱绕流的实验研究

3.1 实验设备与装置

3.2 PIV技术

3.3 实验测量方法

3.4 实验数据分析

3.5 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢