基于OpenFOAM的附属棱柱圆柱绕流减阻研究

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在钝体绕流现象的探究中,考虑到高空线缆、超高层建筑物和海洋管道等设施安全性充分受到流场环境的影响,有关圆柱绕流问题以及相关减阻方案的研究一直是流体力学领域的经典课题。当流体流过此类圆柱状结构物时,由于流域断面收缩,使得圆柱表面流体流速增加,同时流体粘性力的存在,导致圆柱壁面发生边界层分离,随之出现卡门涡街现象。由此产生的周期性作用力和圆柱表面的剪切力,诱发结构物产生振动,严重时使得结构出现共振破坏,带来严重的经济损失。因此,研究各种抑制涡脱频率,改善柱体结构所受阻力和升力的方法,具有重大的工程应用意义。本文基于Linux平台下开源的计算流体力学(CFD)软件OpenFOAM展开数值模拟工作。首先从模型验证出发,确立了合适的网格划分参数。使用单圆柱模型模拟计算并后处理数据后,结合前人的实验和数值模拟数据,验证了求解设置的准确性。之后使用串联双圆柱模型进行扰流模型验证,探讨了低雷诺数下圆柱的阻力、升力系数和斯特劳哈尔数,得出了串联双柱的相互影响随间隙比改变的关系。考虑到过往常见的被动控制法减阻方案多为附属圆杆、分隔板和整流罩等,而三角形结构对流场的扰动效应区别于圆状结构,本文提出了附属三棱柱方案对圆柱绕流状态的影响研究。首先采用串联形式布置扰流棱柱,在不同间隙比和自转角度下,分析了雷诺数Re=200时圆柱附近的速度压力变化、瞬态涡量分布和阻力、升力系数的升降趋势。得出了圆柱在上游位置附属棱柱,间隙比L/D=1.8时减阻效率可达到44.56%。而双涡模式的出现会使得圆柱的阻力系数回升,且使得扰流柱失去对圆柱升力波动的抑制效果。下游位置附属棱柱在L/D=1.8时,对圆柱升力系数的抑制效率可达到73.26%。在上下游相应位置同时设置扰流柱,对圆柱阻力、升力的抑制效率进一步提升,分别达到53.16%和81.62%。然后提出了布置不同角度和距离的对称双扰流柱,Re=200下对圆柱表面各项受力状态进行分析,得出了上游区的对称双扰流柱能更有效地降低圆柱的平均阻力系数,较单圆柱相比减阻效率可达到37.21%;下游区的对称扰流柱能更好的抑制圆柱的升力波动,抑制效率可达到99.86%;与此对应的上下游位置同时设置扰流柱,使得圆柱的阻力、升力系数进一步降低,抑制效率分别达到54.63%和99.94%,升力波动完全被抑制。最后研究了六种雷诺数下的最优减阻方案的减阻效率,得出了在雷诺数Re>200后,串联扰流柱方案的减阻效率开始高于对称双扰流柱方案。
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