基于CIP方法振荡柱体绕流二维数值模拟研究

摘要

柱体绕流是一个复杂的工程问题，它涉及多种科学难题，如紊流、流动分离和涡脱等。准确计算出流体对柱体结构的作用荷载、涡脱频率以及锁定模态，具有重要的科学价值和工程意义。本文以柱体绕流为主要议题，着重研究了流向强迫振荡柱体绕流的水动力特性，其中涉及到主动流动控制和复杂的流固耦合作用，文中也包含了对静止柱体绕流及串列双柱体绕流问题的数值模拟研究。
　　本文所采用的数值模型在笛卡尔直角坐标系里建立，以Navier-Stokes方程和连续性方程为控制方程，通过CIP-ZJU(Constrained Interpolation Profile methodin Zhejiang University)差分格式离散对流方程，基于多相流的理论实现流固耦合同步求解，利用浸入边界法处理运动边界。
　　首先对低雷诺数Re(Reynolds Number)下单圆柱和方柱静止绕流进行数值模拟，模拟结果与文献结果进行比较，二者吻合情况较好。通过引入压力阻力项和摩擦阻力项，重点分析Strouhal数、阻力系数、升力系数等参数随雷诺数的变化情况，探讨圆柱和方柱绕流水动力特性的差异。结果表明，在Re≈140时，方柱的分离点由后角点处转移到前角点处，并引起摩擦阻力方向的改变，而圆柱则不存在此现象;方柱绕流中压力阻力项的主导地位要比圆柱绕流中的显著，同时方柱绕流的主波长大于圆柱绕流的主波长。升力的振幅较阻力大一个数量级，且随着Re的增大，方柱振幅的增长速度远大于圆柱。
　　然后，针对振荡柱体绕流建立数学模型，对流向强迫柱体绕流进行数值研究。分析不同振幅、不同振荡频率的振荡柱体绕流的水动力参数规律、涡脱模态以及锁定区间。发现由于振幅和振荡频率的不同，在振荡圆柱绕流和振荡方柱中均可以观察到2T的涡脱模态锁定。当振荡频率处在锁定域内时，升力系数随柱体的振荡运动具有明显的相位锁定，且升力系数和阻力系数均在锁定域内取得极大值。
　　串列双柱体静止绕流的水动力特性相比单柱体静止绕流更加复杂。通过对Re=100，间距比s=L/D=1.5-7.0(L是柱体中心间的距离)的串列双圆柱和双方柱绕流的数值模拟研究，探讨间距对于流场的影响。上下游柱体的涡脱频率相同，且与串列双圆柱绕流相比，串列双方柱绕流的临界距离相对较大。当柱体间距三达到临界距离Lc时，水动力参数将发生跳跃。
　　最后，对Re=100，间距比s=L/D=2.0，串列双圆柱振荡绕流的水动力特性进行数值研究。着重分析上下游柱体升力系数的频谱特性及涡脱模态。研究表明频谱由多个峰值组成:串列双圆柱静止绕流的涡脱频率f0，圆柱的振荡频率fd，谐波频，分数谐波频以及所有上述频率的总和。结果观察到的涡脱S模态与单圆柱振荡绕流相似，同时在锁定域内观察到了2P模态。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 柱体绕流问题研究意义

1．1．2 柱体振荡绕流问题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 单柱体静止绕流研究现状

1．2．2 串列双柱体静止绕流研究现状

1．2．3 流向振荡柱体绕流研究现状

1．2．4 串列双柱体振荡绕流研究现状

1．2．5 CIP方法的发展

1．3 研究内容

2 基于CIP方法的流场数值求解

2．1 控制方程

2．2 数值方法

2．2．1 CIP方法

2．2．2 时间积分

2．2．3 固体边界处理

2．2．4 计算网格

2．2．5 压力Possion方程迭代求解

2．3 主要控制参数

2．4 本章小结

3 圆柱和方柱绕流的二维数值模拟及结果分析

3．1 圆柱绕流的数值模型

3．1．1 计算域的选取及网格划分

3．1．2 边界条件和初始条件设置

3．1．3 圆柱绕流的模型验证

3．1．4 圆柱绕流参数分析

3．1．5 圆柱绕流流场分析

3．2 方柱绕流的数值模型

3．2．1 计算域的选取及网格划分

3．2．2 边界条件和初始条件设置

3．2．3 方柱绕流参数分析

3．2．4 方柱绕流流场分析

3．3 圆柱与方柱绕流参数对比

3．4 本章小结

4 圆柱和方柱流向振荡绕流数值模拟

4．1 静止流体振荡圆柱

4．1．1 计算域的选取及网格划分

4．1．2 边界条件和初始条件设置

4．1．3 数值算例及结果分析

4．2 振荡圆柱绕流

4．2．1 初始参数及计算模型

4．2．2 数值算例及结果分析

4．3 振荡方柱绕流

4．3．1 计算域的选取及网格划分

4．3．2 边界条件和初始条件设置

4．3．3 数值算例及结果分析

4．4 振荡圆柱和振荡方柱绕流主要水动力参数对比

4．5 本章小结

5 串列双圆柱静止绕流数值模拟

5．1 串列双圆柱绕流数值模型

5．1．1 计算域的选取及网格划分

5．1．2 边界条件和初始条件设置

5．2 数值结果及分析

5．3 本章小结

6 串列双方柱静止绕流数值模拟

6．1 串列双方柱绕流数值模型

6．1．1 计算域的选取及网格划分

6．1．2 边界条件和初始条件设置

6．2 数值结果及分析

6．2．1 Re=100的数值结果及分析

6．2．2 不同雷诺数结果对比

6．3 本章小结

7 串列双圆柱振荡绕流数值模拟

7．1 串列双圆柱振荡绕流的数值模型

7．1．1 计算域的选取及网格划分

7．1．2 边界条件和初始条件设置

7．2 数值结果及分析

7．3 本章小结

8 结论与展望

8．1 本文工作的总结

8．2 进一步的工作展望

参考文献

论文说明

个人简历

攻读硕士期间完成的学术论文