小Reynolds数下旋转多孔圆柱绕流研究

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小Reynolds数均匀来流下旋转多孔圆柱绕流现象在自然界和工业界普遍存在,例如生化过滤器的旋转滤芯的绕流、炉膛中的煤粉颗粒的绕流以及河流中泥沙混合物的绕流等。本文主要研究了二维等温情况时小Reynolds数下单个旋转多孔圆柱的绕流规律,将多孔圆柱简化为均质各向同性多孔介质,因此渗透率为固定值,并独创性地在旋转多孔圆柱内部控制方程中加入了离心力项和科里奥利力项。把流场分为多孔区和外流区两个区,多孔区采用Darcy模型,并同时考虑了由于旋转产生的离心力项与科里奥利力项。外流区则根据圆柱绕流特性划分成近圆柱内区(Stokes区)和无穷远外区(Oseen区),其中Stokes区采用忽略了粘性力的Stokes模型,Oseen区采用将粘性项近似化为线性项的Ossen模型。在无穷远处采用均匀来流边界条件,在纯流体与多孔圆柱交界面处采用Beavers-Joseph(BJ)滑移边界条件,建立关于流函数的控制方程,并根据渐进展开匹配方法(MMAE)对Oseen区理论解和Stokes区理论解进行耦合,分析推导得到绕流解析解,并在圆柱不旋转且为实心圆柱、圆柱为多孔介质但不旋转及实心旋转圆柱三种极限情形下与先前学者的结果进行对比验证,发现本文的解与其一致,证实了所求解的正确性。并分析了Reynolds数、无量纲旋转速度和渗透率对阻力、升力的影响。分析表明:当Reynolds数很小时,阻力随Reynolds数的增大而增大,随旋转速度的增大而增大,随渗透率的增大而减小;升力随旋转速度的增大而增大,随渗透率的增大而减小,在渗透率较大时几乎不随Reynolds数变化而变化。在此基础上继续研究了小Reynolds数双层旋转多孔圆柱的绕流问题,求出了双层旋转多孔圆柱的绕流解,分析得到了绕流阻力、升力随内外径比变化而变化的规律。结果表明:当内外径渗透率比值小于1时,绕流阻力、升力随内外径比的增大而减小;内外径渗透率比值等于1时,绕流阻力、升力不随内外径比变化而变化;内外径渗透率比值大于1时,绕流阻力、升力随内外径比增大而增大。
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