基于DFD方法的旋转振荡圆柱绕流的数值模拟研究

摘要

DFD(Domain-Free Discretization)方法是一种浸入边界法。本文应用DFD方法求解不可压Navier-Stokes方程，研究二维横向振荡的旋转圆柱绕流，包括受迫振荡和自由振荡；动边界流动的模拟在固定网格上进行，无需在每个时间步上更新网格。文中介绍和讨论了DFD方法，并对其应用于复杂动边界问题的可靠性及准确性进行了验证。数值模拟研究中，首先计算了旋转振荡圆柱绕流，分析其在不同雷诺数、振幅、频率及旋转角速度下的流场，研究了振荡和旋转在锁定区和非锁定区对于涡脱落的作用。计算结果显示，当角速度超过临界角速度后，圆柱后方的涡脱落会被严重地抑制甚至完全消失，阻力系数则会趋于单纯旋转圆柱的阻力系数值。接着，模拟了串列双圆柱旋转振荡绕流。我们发现上游圆柱的分离流动会被下游圆柱捕获，上游圆柱的分离剪切层会在第二个圆柱表面重附，这样仅在第二个圆柱后方有涡脱落；文中分析了上下游圆柱的升阻力系数、力矩系数的变化规律。然后，模拟了涉及流固耦合的涡激振荡旋转圆柱绕流，分析了角速度对圆柱响应模式的影响，发现流场中仍会出现滞回现象和锁定现象；进一步，讨论了圆柱在不同分支阶段的涡脱落模式，并研究了升阻力系数变化规律。最后，计算了流致振荡的串列双旋转圆柱绕流，发现上下游圆柱均有锁定区间，进入锁定区间后，下游圆柱的振幅明显大于上游圆柱的，同时发现旋转会延迟圆柱振幅随约化速度的变化。