低雷诺数下圆柱绕流减阻的数值模拟研究.doc

硕士学位论文

低雷诺数下圆柱绕流减阻的
数值模拟研究
ANUMERICALSTUDYOFFLUIDFORCESREDUCTIONONACIRCULARCYLINDERATLOWREYNOLDSNUMBER

黄玮

哈尔滨工业大学2005年3月

国内图书分类号：O357.1国际图书分类号：621

工学硕士学位论文

低雷诺数下圆柱绕流减阻的
数值模拟研究

硕士研究生：黄玮
导 师：周超英副教授
申请学位：工学硕士
学科、专业：机械电子工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2005年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学

ClassifiedIndex:O357.1
U.D.C.:621

DissertationfortheMasterDegreeofEngineering
ANUMERICALSTUDYOFFLUID
FORCESREDUCTIONONACIRCULAR CYLINDERATLOWREYNOLDS
NUMBER

Candidate:
Supervisor:
AcademicDegreeAppliedfor:Specialty:
Affiliation:
DateofDefence:


HuangWei
AssociateProf.ZhouChaoyingMasterofEngineeringMechatronicsEngineeringShenzhenGraduateSchoolMarch,2005
Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

研究圆柱绕流的减阻控制对于减小流动诱发振动、提高结构体抗疲劳强度有着非常重要的作用。数值模拟能够克服实验的不足，高效的给出相关流场的具体信息。正是因为数值模拟具有较多的优点，所以计算机数值模拟已逐渐成为流体力学强有力的研究工具。本文利用计算流体力学（CFDComputationalFluidDynamics）软件包对圆柱绕流减阻结构体的二维不可压缩流场进行了数值模拟并对结果进行了分析。
本课题中，应用CFD软件包FLUENT前置处理软件GAMBIT建立计算模型并对流场进行网格划分，然后导入FLUENT中进行流场分析。计算区域选择了简单的长方体。采用有限体积法对连续流场进行离散，并用SIMPLE方法求解离散的Navier-Stokes方程。
本文主要模拟计算了在基于圆柱直径的雷诺数 Re = 200 条件下，由圆柱
和对称放置在其附近的附属杆所组成的圆柱绕流减阻结构体的流场。通过改
变附属杆相对圆柱之间的相对角度位置α、径向间隙比δ/D、附属杆和圆
柱的直径比d/D等，研究了流场中流迹特征（等涡量图，流线图，压力图
等）和数字特征（如时间平均升阻力系数，脉动升阻力系数，斯特劳哈尔数
等）的变化规律。计算结果表明：对于该结构体绕流问题，附属杆相对于圆
柱的角度位置α对圆柱时间平均阻力系数影响᳔大。当其它条件一定时，
α =40° 时圆柱所受时间平均阻力᳔小，且较单圆柱减小了18％，同时斯特
劳哈尔数᳔大，升力振幅᳔小， α =40° 是此时减阻᳔优位置。在本文所研
究的范围内，间隙比δ/D和直径比d/D对减阻的影响不是很大。另外，通
过对同一减阻结构体在 Re = 1000时的系列计算中发现：雷诺数越大减阻效
果越明显，而᳔优位置发生了变化。᳔后采用了RNGk−ε湍流模型数值
模拟了当 Re = 55000时的减阻结构体绕流流场，并与文献中的实验进行了
对比，结果吻合的较好。

关键词圆柱；附属杆；数值模拟；升阻力系数

-I-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Controllingreductionofdragforceplaysanimportantroleindecreasingnoisefromflow-inducedvibrationandenhancinganti-fatigueintensityofstructures.Numericalsimulationcanovercomethedeficiencyresultedfromexperimentsandeffectivelygivesdetailsofrelativeflowfield.Sincenumericalsimulationhasmanymerits,ithasbeenanimportantandpowerfulresearchtoolinscienceandengineering.Inthispapertwo-d