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基于谱单元法的多圆柱绕流及其互扰效应数值模拟

作　者: 桂晓澜
导　师: 周岱
学　校: 上海交通大学
专　业: 结构工程
关键词: 谱单元方法 多圆柱 流场特性 流动互扰 间距比
分类号: TB126
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


多圆柱绕流及其互扰现象在实际工程经常遇到。当多个圆柱以串列、并列、交错或其他方式排列时,即使雷诺数相同,它们的动力特性也存在明显差异。谱单元法是谱方法与有限元方法结合起来,将求解区域剖分成单元,采用等参数元,在每个单元内用N阶多项式展开来近似变量,对方程采用Galerkin技术,用Gauss求积,得到离散化的方程组。谱单元作为一种高阶单元,综合了有限元方法的几何灵活性和谱方法的计算高精度性,具有较高的收敛性和计算效率。本文阐述了谱单元方法的基本理论,基于三步时间分裂算法对流体力学控制方程进行了离散,并运用此方法对雷诺数200不同间距比下(两圆柱圆心距离与圆柱直径之比)两串列和两并列圆柱绕流流场进行数值模拟,旨在研究间距比对其流场特性的影响并找出临界间距比。两圆柱串列时,临界间距比约为3.6。当间距比小于临界间距比时,上游圆柱不产生漩涡脱落,两圆柱之间形成回流区;当间距比大于临界间距比时,上游圆柱产生漩涡脱落,对下游圆柱的升阻力特性产生很大的影响。两圆柱并列时,临界间距比约为2.2。当间距比为1.2时,两圆柱尾流表现为单钝体尾流形态;间距比为1.5时,两圆柱尾流表现为跳跃型尾流形态;间距比2.2时,两圆柱升阻力特性和尾流漩涡脱落频率均发生很显著的变化;间距比大于2.2时,两圆柱尾流形态相位相反或者相同。对雷诺数200不同间距比下四圆柱顺排排列和旋转排列流场进行数值模拟研究。四圆柱顺排排列,间距比较小时,圆柱互扰以临近效应为主,表现为稳定屏蔽流态;中等间距时,圆柱互扰以临近效应和剪切层干扰为主,表现为摆动屏蔽流态;间距比较大时,所有圆柱尾流均充分发展,圆柱互扰以尾流效应为主,表现为涡脱落流态。四圆柱旋转排列,间距比较小时,圆柱互扰以临近效应为主,尾流表现为单钝体尾流形态;间距比继续增大到2.5时,上游圆柱尾流不稳定,之后间距比为3.0时,上游圆柱产生漩涡脱落,对下游圆柱影响显著,升阻力特性和漩涡脱落频率都发生很大变化,尾流形态复杂;间距比较大时,每个圆柱都产生稳定的漩涡脱落,尾流形态亦变得稳定。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-16
  1.1 选题背景与依据  8-9
  1.2 研究现状  9-12
    1.2.1 多圆柱绕流研究现状  9-10
    1.2.2 计算流体动力学研究现状  10-11
    1.2.3 谱单元方法  11-12
  1.3 本文的主要工作  12-13
  参考文献  13-16
第二章 谱单元方法  16-32
  2.1 引言  16
  2.2 谱单元方法  16-19
    2.2.1 谱函数插值  16-17
    2.2.2 谱单元离散  17-19
  2.3 流体控制方程求解  19-23
    2.3.1 流体控制方程  19
    2.3.2 时间离散  19-20
    2.3.3 空间离散  20-22
    2.3.4 数值方法的实现和求解步骤  22-23
  2.4 不同雷诺数下单圆柱绕流分析  23-28
    2.4.1 计算域和网格划分  23-26
    2.4.2 不同雷诺数下单圆柱绕流的流态  26-27
    2.4.3 圆柱表面受力特性随雷诺数的变化  27
    2.4.4 斯托罗哈数随雷诺数的变化  27-28
  2.5 本章小结  28-30
  参考文献  30-32
第三章 双圆柱绕流数值模拟  32-49
  3.1 引言  32-33
  3.2 计算域和网格划分  33-35
  3.3 串列双圆柱互扰效应分析  35-41
    3.3.1 不同间距比下的流态  35-37
    3.3.2 圆柱表面受力特性随间距比的变化  37-40
    3.3.3 斯托罗哈数随间距比的变化  40-41
  3.4 并列双圆柱互扰效应分析  41-47
    3.4.1 不同间距比下的流态  41-43
    3.4.2 圆柱表面受力特性随间距比的变化  43-45
    3.4.3 斯托罗哈数随间距比的变化  45-47
  3.5 本章小结  47-48
  参考文献  48-49
第四章 四圆柱绕流数值模拟  49-71
  4.1 引言  49-50
  4.2 计算域和网格划分  50-52
  4.3 正方形顺排排列四圆柱互扰效应分析  52-60
    4.3.1 不同间距比下的流态  52-54
    4.3.2 圆柱表面受力特性随间距比的变化  54-58
    4.3.3 斯托罗哈数随间距比的变化  58-60
  4.4 正方形旋转排列四圆柱互扰效应分析  60-67
    4.4.1 不同间距比下的流态  60-63
    4.4.2 圆柱表面受力特性随间距比的变化  63-65
    4.4.3 斯托罗哈数随间距比的变化  65-67
  4.5 本章小结  67-69
  参考文献  69-71
第五章 结论和展望  71-73
  5.1 主要结论  71-72
  5.2 研究展望  72-73
致谢  73-74
攻读硕士期间发表论文与参加科研项目情况  74-75
本课题组历届研究生学位论文相关情况一览表  75-78

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程基础科学 > 工程力学 > 工程流体力学
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