方柱绕流的PIV实验及数值研究

摘要

方柱绕流现象广泛存在于桥梁工程、海洋工程和城市建设等工程科学领域中，例如桥墩、石油开采平台、城市高层建筑以及拦污栅等。它包含了分离、再附、回流与旋涡脱落等复杂流动现象，全面深入地研究方柱周围的流场特性对人们解决相关实践工程中的问题具有重要意义。
　　本文首先简单回顾了近年来国内外学者对方柱绕流特性的研究，然后采用物理模型实验与数值模拟相结合的方法，从理论上对水体中方柱绕流的流场特性进行了更深入的研究。
　　物理实验部分重点研究了不同来水流量情况下的方柱绕流流场特征。主要从方柱上游、左右两侧和下游的时均流场以及方柱下游的瞬时流场四个方面对实验结果进行了分析。其主要结论为：
　　(1)增大流量对方柱上游时均流场的影响，表现为对低流速区域分布影响较小，而对较高流速区域分布的影响较大；
　　(2)在方柱左右两侧分别形成了一个顺时针和逆时针的涡流，在该涡流远离壁面处形成了高流速区域，且该区域内的流速随着流量的增大而增大，但其相对特征流速的增幅随流量的增大反而减小；
　　(3)在方柱下游形成了两个左右对称、旋转方向相反的涡流，且流量的增大对回流区的长度影响很小，该回流区的长度基本与方柱边长为等量级关系但略大于方柱边长；
　　(4)在瞬时流态方面，方柱下游水流呈周期性摆动，计算下游水流摆动周期并进一步计算斯特劳哈尔数，本实验获得的斯特劳哈尔数和前人实验获得的斯特劳哈尔数符合较好。
　　数值模拟部分，本文按物理模型相同的尺寸大小，采用MIKE3建立方柱绕流的三维数值模型。并通过实测的流速和水位数据对数值模型进行了验证，验证结果符合较好。在此基础上，对物理模型同种工况再进行了数值模拟分析计算，并与实验结果进行了对比，结果表明：
　　(1)在方柱上游的时均流场中，两者低流速区和高流速区的分布较为一致，且水流沿流动方向越靠近迎流面处流速越小，并逐渐分为左右两侧流动；
　　(2)在方柱左右两侧的时均流场中，均分别形成了顺时针和逆时针的漩涡，流场分布情况基本一致；
　　(3)在方柱下游的时均流场中，均形成了回流区和两个对称的涡流，且两者回流区的长度基本吻合；
　　(4)对数值模型计算出的方柱下游连续时刻的流速矢量图分析表明，方柱下游的水流亦呈周期性摆动，并伴有左右两侧涡流的交替脱落，其摆动周期和斯特劳哈尔数与由物理模型结果计算得到的周期及斯特劳哈尔数差异较小，说明本次数学模型模拟的结果也是正确的。

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第1章 引 言

1.1研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容

第2章 方柱绕流物理模型介绍

2.1实验设备

2.2实验模型

2.3本章小结

第3章 方柱绕流物理模型实验结果分析

3.1时均流场分析

3.2实验准确性分析

3.3本章小结

第4章 方柱绕流数值模拟

4.1基本控制方程

4.2模型设定

4.3模型验证

4.4模型计算工况设置

4.5数值计算结果分析

4.6本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

研究成果