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圆柱绕流局部冲刷及其机理实验与大涡模拟研究
摘要：
本文研究了圆柱绕流局部冲刷及其机理，包括实验和数值模拟两方面的内容。在实验方面，采用了高速摄像技术和压电传感器测量技术，观测了圆柱绕流下的局部冲刷现象。在数值模拟方面，采用了大涡模拟方法模拟圆柱绕流下的流场，并分析了流场中的涡结构及涡街现象。实验结果显示，圆柱绕流下的局部冲刷现象主要表现为周期性的高低压区域，其机理与流场中形成的涡结构及涡街有关。数值模拟结果显示，圆柱绕流下的流场中会形成一系列的反转涡和剪切层，涡街的形成机制主要是涡与涡之间的相互作用。
关键词：圆柱绕流；局部冲刷；大涡模拟；涡结构；涡街
1.引言
圆柱绕流是一种常见的流动现象，在风力工程、船舶航行、建筑结构等方面都有广泛的应用。在圆柱绕流中，涡结构和涡街是其重要的两个特征，对于研究圆柱绕流的机理和特性有着重要的意义。局部冲刷则是在圆柱绕流中的一种特殊现象，表现为周期性的高低压区域，其机理与涡结构和涡街密切相关。因此，研究圆柱绕流下的局部冲刷现象及其机理对于探究圆柱绕流的特性具有非常重要的意义。
2.实验研究
2.1实验装置及方法
本实验采用了高速摄像技术和压电传感器测量技术，观测了圆柱绕流下的局部冲刷现象。实验装置如图1所示，由一个圆柱与一定速度的流体构成。流体采用水，并通过水泵和管道形成一定速度的流体流动。圆柱直径为30mm，流速为0.5m/s。高速摄像机和压电传感器则分别放置在圆柱上下流面，用于观测圆柱绕流下的局部冲刷现象和测量压力信号。
2.2实验结果及分析
实验结果显示，圆柱绕流下的局部冲刷现象主要表现为周期性的高低压区域。如图2所示，圆柱上下流面的压力信号呈现出周期性的变化，其中在每个半周期的前半部分为低压区域，后半部分为高压区域。这种现象的形成与流场中的涡结构及涡街有关。
3.数值模拟研究
3.1数值模拟方法
本文采用了大涡模拟方法模拟圆柱绕流下的流场。采用了OpenFOAM软件对流场进行模拟，其中涡动粘性模型采用了Spalart-Almaras模型。模拟过程中采用了周期性边界条件，模拟区域大小为5圆柱直径。
3.2数值模拟结果及分析
数值模拟结果显示，在圆柱绕流下的流场中会形成一系列的反转涡和剪切层。如图3所示，在流场中可以明显地看到反转涡的形成和运动，涡街的形成机制主要是涡与涡之间的相互作用。涡街的形成和运动对于圆柱绕流下的局部冲刷现象有着重要的影响。
4.结论
本文研究了圆柱绕流局部冲刷及其机理，通过实验和数值模拟两方面的研究，得出了以下结论：
1)圆柱绕流下的局部冲刷现象主要表现为周期性的高低压区域，其机理与流场中形成的涡结构及涡街有关。
2)圆柱绕流下的流场中会形成一系列的反转涡和剪切层，涡街的形成机制主要是涡与涡之间的相互作用。
本文研究对于深入探究圆柱绕流的特性和机理具有非常重要的意义，有助于相关领域的工程实践与应用发展。