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低雷诺数下等边布置三方柱绕流的数值研究
摘要
本研究利用数值模拟的方法对低雷诺数下等边布置三方柱绕流进行了研究。通过改变柱子间距和调整柱子位置，探究了不同参数对流场结构及阻力系数的影响。结果表明，随着柱子间距的减小，流场结构发生了明显变化，同时阻力系数也逐渐增大。而通过调整柱子位置，可以减小流动分离区域的大小，从而降低阻力系数。这些研究对于降低风力发电机的制造成本以及提高效率具有重要意义。
关键词：低雷诺数，三方柱，流场结构，阻力系数
Abstract
Inthisstudy,numericalsimulationmethodwasusedtoinvestigatetheflowaroundequilateraltriangulararrangementsofthreecylindersatlowReynoldsnumber.Bychangingthedistancebetweenthecolumnsandadjustingthepositionsofthecylinders,theeffectofdifferentparametersontheflowfieldstructureanddragcoefficientwasexplored.Theresultsshowthatwiththedecreaseofthedistancebetweenthecolumns,theflowfieldstructurechangessignificantly,andthedragcoefficientgraduallyincreases.Byadjustingthepositionofthecylinder,thesizeoftheseparationflowregioncanbereduced,whichcanreducethedragcoefficient.Thesestudiesareofgreatsignificanceforreducingthemanufacturingcostofwindturbinesandimprovingefficiency.
Keywords:LowReynoldsnumber,triangularcylinders,flowfieldstructure,dragcoefficient
引言
近年来，随着能源危机的日益突出以及环保意识的增强，风力发电成为了一种非常受欢迎的可再生能源。然而，在风力发电机的设计中，由于其运行环境与风力的不确定性，使得发电机的效率及经济性存在一定的挑战。因此，对于风力发电机的流动特性及阻力系数进行深入研究，降低风力发电机的制造成本以及提高效率具有重要意义。
三方柱是模拟风力发电机叶片的一种常用模型，其流动特性在工程以及学术研究中具有广泛的研究价值。然而，在实际应用中，柱子的位置以及间距会对流场结构及阻力系数产生重要的影响。因此，对于不同柱子排列方式进行研究，探究其在实际应用中的性能。本研究通过数值模拟对不同柱子间距以及柱子排列方式的影响进行了研究，并探究了流场结构及阻力系数的变化。
模型设定
本研究采用了CFD(ComputationalFluidDynamics)软件Fluent对等边布置的三方柱绕流进行数值模拟。图1为本研究中所采用的模型。其中，三个柱子的直径为D，间距为s。计算域长度L=6s，域宽H=2s。入口处的速度为U=1，柱子上表面设有不可滑动壁面，下表面为自由面边界。
图1等边布置的三方柱模型
数值方法及网格划分
本研究采用了稳流假设，并使用RSM(ReynoldsStressModel)模型对三方柱绕流进行了数值模拟。在进行计算之前，先人为将三个柱子放置在计算域中央，然后通过移动某个柱子的位置或调整柱子间距的方式，构建了不同的柱子排列方式。为了保证计算精度，本研究采用了较为细密的网格，如图2所示。其中，计算域被划分为了26000个网格，柱子表面及周围的区域被进一步划分为了约5000个网格。
图2计算域网格划分示意图
结果与讨论
本研究对柱子间距以及柱子排列方式对于流场结构的影响进行了探究。如图3所示，当柱子间距为1.5D时，流场出现了较为明显的涡流结构，随着距离的增大，对流场的影响逐渐减小，和单独柱子的流动表现类似。同时，在某些柱子排列方式中，如图4所示，在某一侧的柱子前方形成了较为明显的分离流动区域，这一区域对流场的影响较大，会加大阻力系数。
图3不同柱子间距下的流场结构
图4某一侧柱子前方产生的分离流动区
阻力系数是衡量三方柱绕流的一个重要指标。通过对不同柱子排列方式的计算，本研究得到了不同条件下的阻力系数。如图5所示，当柱子间距为1.5D时，阻力系数最大，为3.98。而在调整柱子位置的过程中，可以发现在某些柱子排列方式下，如图6所示，可以减小流动分离区