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不同排列方式下的双圆柱、三圆柱绕流数值模拟

作　者: 滕丽娟
导　师: 杨纪伟
学　校: 河北工程大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 双圆柱绕流三圆柱绕流不同排列方式旋涡脱落升阻力系数
分类号: TV131.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

圆柱绕流伴随着许多复杂的流动现象,涉及到流动分离、旋涡生成和脱落、旋涡之间的相互干扰等许多基本理论问题。实际工程中圆柱群体随处可见,在水利工程中,建桥对河流水动力的影响、高桩码头桩群对水流特性的影响、桩柱周围的流场状态和作用在桩柱上的升阻力变化倍受关注,因此对多圆柱绕流进行研究有重要意义。本文结合已有的理论、实验成果,取小雷诺数200和中等亚临界雷诺数20000,基于层流、湍流两种数学模型,使用流体软件FLUENT模拟圆柱绕流流场和升阻力系数。在层流模型下,使用有限体积法求解质量守恒方程和动量方程。通过验证算例证明FLUENT模拟圆柱绕流的有效性和可行性,在算例中分别用正方形、圆、半圆和六边形蜂窝状几种形式划分计算区域,相应的采用四边形、三角形和混合网格单元生成结构网格、非结构网格,模拟某一间距比下的串列双柱绕流,探讨网格划分方法对模拟的影响。之后着重使用三角形网格单元模拟层流状态下的双圆柱绕流流场、旋涡脱落和升阻力系数,其工况为双柱串列、并列和两圆柱中心连线与水流方向成30°、60°夹角错置,各工况在1.75、2.5、4和5四个间距比下探讨流场主要参量的变化规律。最后,进一步使用四边形网格单元模拟两个特定间距比下的串并列三圆柱绕流,以进一步研究串并列双柱绕流与串并列三柱绕流的流态差别和升阻力系数变化。在湍流模型下,使用有限体积法求解质量守恒方程、动量方程、湍动能方程和湍动耗散率方程。使用三角形网格单元,在两个特定间距比下,模拟两圆柱串列、并列以及两圆柱中心连线与水流方向成30°、60°夹角错置的双柱绕流,探讨同一间距比不同夹角下的绕流流场和升阻力系数变化规律。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-24
  1.1 引言  12-13
  1.2 国内外圆柱绕流数值计算研究现状  13-15
    1.2.1 单圆柱绕流CFD 数值模拟成果  13-14
    1.2.2 双圆柱绕流和桩群绕流CFD 数值模拟成果  14-15
  1.3 均匀流场中孤立圆柱及双圆柱绕流的实验结果  15-22
    1.3.1 圆柱绕流的基本概念——流动分离和旋涡脱落  15-16
    1.3.2 单圆柱绕流  16-18
    1.3.3 双圆柱绕流  18-22
  1.4 本文的研究内容和创新点  22-23
    1.4.1 本文的研究内容  22-23
    1.4.2 本文的创新点  23
  1.5 本章小结  23-24
第2章 FLUENT 基本理论及应用简介  24-34
  2.1 FLUENT 的简介  24-26
    2.1.1 FLUENT 程序结构  24-25
    2.1.2 FLUENT 程序可以求解的问题  25
    2.1.3 FLUENT 的求解步骤  25-26
  2.2 FLUENT 中的网格  26-28
    2.2.1 网格的选择  26-27
    2.2.2 网格质量  27-28
  2.3 FLUENT 中边界条件的确定  28-30
    2.3.1 边界条件的分类  28-29
    2.3.2 本文所用边界条件的确定  29-30
  2.4 操作压力的确定  30
  2.5 FLUENT 中的模型  30-32
    2.5.1 FLUENT 中的基本物理模型和湍流模型  30-31
    2.5.2 FLUENT 中的κ-ε湍流模型  31-32
  2.6 FLUENT 求解器  32-33
    2.6.1 FLUENT 的求解方法  32
    2.6.2 求解器使用概述  32-33
  2.7 本章小结  33-34
第3章流体运动方程的简介和FLUENT 验证算例  34-49
  3.1 流体运动的基本方程  34-35
  3.2 湍流运动基本方程  35-37
  3.3 RNGκ-ε湍流模型  37-40
    3.3.1 模型方程  38
    3.3.2 近壁区的处理  38-40
  3.4 升阻力系数  40
  3.5 验证算例及网格形式对结果的影响  40-48
    3.5.1 验证算例  41-45
    3.5.2 网格划分形式对绕流结果的影响  45-48
  3.6 本章小结  48-49
第4章层流模型下的圆柱绕流模拟  49-80
  4.1 总的模型和基本计算处理  49-51
    4.1.1 控制方程及其离散  49-50
    4.1.2 物理模型和特征参数  50
    4.1.3 网格划分  50-51
    4.1.4 边界条件和初始条件  51
  4.2 单圆柱绕流计算  51-53
    4.2.1 区域分块及网格划分  51-52
    4.2.2 单圆柱绕流计算结果  52-53
  4.3 双圆柱绕流计算  53-73
    4.3.1 串列双柱绕流  53-58
    4.3.2 并列双柱绕流  58-63
    4.3.3 夹角为30°的错置双柱绕流  63-68
    4.3.4 夹角为60°的错置双柱绕流  68-73
  4.4 三圆柱串并列绕流  73-79
    4.4.1 三圆柱串列绕流  73-76
    4.4.2 三圆柱并列绕流  76-79
  4.5 本章小结  79-80
第5章湍流模型下的双柱绕流模拟  80-93
  5.1 控制方程及其离散  80-81
  5.2 物理模型和特征参数  81-82
  5.3 壁面处理和网格划分  82-84
    5.3.1 壁面处理方法  82
    5.3.2 近壁面网格划分  82-84
  5.4 边界条件和初始条件  84-85
  5.5 计算结果  85-92
    5.5.1 典型时刻的旋涡脱落形态  85-88
    5.5.2 升阻力系数  88-92
  5.6 本章小结  92-93
第6章结论与展望  93-96
  6.1 结论  93-95
  6.2 展望  95-96
参考文献  96-100
致谢  100-101
作者简介及发表论文和科研情况  101

不同排列方式下的双圆柱、三圆柱绕流数值模拟

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