圆盘及开孔圆盘近尾迹研究

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圆盘作为一种轴对称钝体,对其尾迹的研究远没有其它轴对称钝体(如圆球和圆柱)尾迹研究得丰富和深入,而圆盘绕流现象却广泛存在于空气动力和水力动力装置中,如降落伞和火焰稳定器等。此外,相比于圆柱和圆球尾迹,圆盘因其尖锐的边缘使得尾迹结构显得更为复杂。因此,加强对圆盘绕流尾迹的研究不仅可以丰富钝体绕流研究理论,加强对复杂三维钝体绕流中相干结构的理解,而且在实际工程中有很大应用价值。  实际工程中的来流条件往往比研究中使用的均匀来流条件复杂。本文采用数值计算的方法对均匀剪切来流条件时圆盘尾迹演化进行了模拟研究;同时,鉴于开孔圆盘在火焰温定器等中实际工程中的应用,本文也基于PIV实验结果及POD分析,初步讨论了其与实心圆盘绕流尾迹的差异。具体工作包括如下几个方面:  (1)通过LES对低雷诺数均匀剪切来流中圆盘近尾迹进行数值模拟,重点研究剪切来流对尾迹结构的影响。  (2)采用PIV对Re=10000时实心圆盘和中心带孔圆盘的近尾迹流场进行测试,对比分析两者时均速度场和雷诺应力等二阶相关量。  (3)利用Snapshot POD对PIV所得速度场进行分解,对比特征模态,分析两者相干结构的差异。  基于上述研究,得出如下结论:  (1)在来流剪切率0<k<0.1范围内,圆盘尾迹结构中Hopf分叉提前发生,即由稳态面对称模态发展为非稳态面对称模态。随着剪切率增加,对称面位置趋于来流速度梯度方向所在平面。发夹涡头部在来流速度较高侧明显偏大,无量纲涡旋脱落频率基本不变。  (2)在中心孔射流作用下,在主回流区内部形成一对小涡旋,且随着中心孔径的增加,射流冲击强度增强,使次回流区结构尺寸不断变大,同时主回流区长度亦增大。当中心孔径超过一定值时,中心孔射流穿破主回流区包裹,在轴线两边方向形成两对较小的涡结构,回流区长度急剧减小。  (3)中心孔径较小时,通过中心的射流有利于圆盘回流区的涡结构稳定,增加回流区长度,表现在POD1、2模态含能比明显变大和前10模态含能比总值的相对增长;当中心孔径超过一定范围时,通过中心孔的射流会对主回流区结构形成冲击,影响大尺度涡结构的稳定性,表现为在1、2模态含能比减少和前10模态含能比相对较小。
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