开缝圆柱绕流流动与传热特性研究

摘要

圆柱绕流作为钝体绕流中的经典问题之一，因其广泛的工程应用背景和所具有的重要理论价值，一直是众多学者关注和研究的焦点。而其中的减小流动阻力，抑制涡激振动则是圆柱绕流问题在实际工程领域中的核心所在。因此，探究其流动机理及相关物理特性，并以此为依据采取有效措施对流动实施控制，对于实现减阻、抑制涡激振荡和强化传热具有十分重要的意义。
　　本文采用被动控制方法，在圆柱上、下分离点处各开设一狭缝，并连通至后驻点，通过寻找适合的几何参数，实现对圆柱绕流尾流的控制，并有效减小绕流圆柱所受的阻力。
　　本文采用计算流体力学（CFD）方法，基于有限体积法，针对粘性不可压缩开缝圆柱绕流问题，通过数值模拟，考察了当60≤Re≤200时，狭缝宽度与圆柱直径比s/D=0.01~0.1范围内开缝圆柱的绕流流动及传热特性。同时，着眼于圆柱绕流由二维向三维转变的过程，对开缝圆柱在Re=200、230、250和1000时分别进行了三维数值计算，探究了狭缝对于圆柱绕流二维特性的维持作用。
　　数值计算结果显示：60≤Re≤200时，在一定范围内开缝圆柱所受到的绕流升阻力均低于未开缝圆柱，圆柱表面涡脱落被有效抑制，其中当s/D=0.02D时，效果最为显著。圆柱表面的综合传热性能随狭缝宽度的增加而显著提高，且Re数较低时效果更为明显。当Re=60时，缝宽为0.1D的开缝圆柱相比于未开缝圆柱，其综合传热性能增幅可达29.1％。此外，在一定Re数范围内，缝宽为0.02D的开缝圆柱加速了尾涡向三维流动的转捩过程。而当缝宽增至0.1D时，开缝圆柱对尾迹旋涡三维特性的出现具有有效的抑制作用。但当Re数增大至亚临界区时，开缝圆柱加剧了流体的三维流动，并将能量消耗分散至整个流场范围内，其结果使得绕流圆柱所受阻力减小。同时，由于狭缝的存在，在增强换热效果的同时，在很大程度上减小了流体流动损失，使综合传热性能得到了显著提升。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2圆柱绕流流动特性

1.3 国内外圆柱绕流问题研究进展

1.4 控制技术简述

1.5 本文主要研究内容

1.6 本章小结

第二章 数值计算方法及圆柱绕流基础

2.1 问题概述

2.2 圆柱绕流受力分析

2.3 圆柱绕流控制方程及其参数定义

2.4 本章小结

第三章 二维圆柱绕流数值模拟

3.1 二维圆柱绕流数值模型及其边界条件

3.2 流场网格划分

3.3 数值计算方法的验证

3.4 数值模拟结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 三维圆柱绕流数值模拟

4.1 三维圆柱绕流数值模型及边界条件

4.2 流场网格的划分

4.3 数值计算方法

4.4 数值模拟结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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