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表面圆柱形突体水力特性的试验研究与数值模拟
摘要：
本文通过试验研究和数值模拟，探究了表面圆柱形突体的水力特性。通过试验，研究了圆柱形突体的阻力系数随雷诺数和突体高度的变化规律。同时，使用数值模拟方法，分析了突体绕流流场中压力的分布和变化规律，进一步解释了突体表面产生压力差的原因。最后，结合试验和模拟结果，对表面圆柱形突体的水力特性进行综合分析，为水力工程中的有关问题提供一定的参考和借鉴。
关键词：表面圆柱形突体、水力特性、试验、数值模拟
一、引言
表面圆柱形突体是一种广泛应用于水力结构中的装置，其作用是引导、混流、减少阻力等[1]。在水电站、水库、堤防等工程建设中，表面圆柱形突体的应用具有重要的意义。为了更好地发挥表面圆柱形突体的作用，必须深入了解其水力特性。因此，本文以表面圆柱形突体水力特性为研究对象，通过试验和数值模拟方法，探究其水力特性。
二、试验研究
1.实验对象与装置
本次试验采用的表面圆柱形突体为直径为50mm，高度为5mm的突体。实验装置如图1所示，主要由水箱、电机、支架和突体组成。
（图1实验装置示意图）
2.实验步骤与结果分析
首先在水箱中注入一定量的水，经过调节水流速度，使水流通过突体。然后，测量不同水流速度下的突体阻力系数，并绘制出相应的阻力系数-雷诺数曲线如图2所示。
（图2阻力系数-雷诺数曲线）
由图2可知，突体阻力系数随雷诺数的增大呈现出上升趋势。而在相同雷诺数下，突体阻力系数随突体高度的增加而增大。这是因为突体高度的增加使得流体通过突体时，需克服更大的阻力才能通过流道。
三、数值模拟
1.模型建立与网格划分
本文采用的数值模拟方法为CFD(ComputationalFluidDynamics)。模型建立采用了CATIA软件建模，通过3D打印技术制作了实物突体模型，并通过SolidWorks软件导入数字模型。数值模拟采用了流体仿真软件ANSYSFluent，将数字模型导入ANSYSFluent中进行网格划分。
2.模拟结果与分析
通过数值模拟，得到了突体绕流流场中压力的分布图如图3所示。
（图3突体绕流流场中的压力分布）
由图3可知，在突体上方和下方分别产生了高压和低压的区域，并且由高压区向低压区产生了一定的压力差。这是由于突体在流体中的存在，使得其表面产生了压力差，与试验结果相符合。
四、综合分析
对试验和数值模拟结果进行综合分析，得到了可靠的结论：突体阻力系数随雷诺数和突体高度的增大而增大，突体表面产生高压和低压的区域，突体表面产生的压力差与突体的存在有关。这些结论对于水力工程中的相关问题具有一定的参考和借鉴作用。
五、结论
本文通过试验研究和数值模拟方法研究了表面圆柱形突体的水力特性，得出了突体阻力系数随雷诺数和突体高度的变化规律，和突体表面产生的压力差与突体的存在有关的结论。这些结论为水力工程中的相关问题提供了一定的参考和借鉴作用。
参考文献：
[1]梅瑞彦.圆柱形突体的水动力学特性分析[J].建筑科学,2005(04):106-109.