多圆柱绕流旋涡脱落和流场形态概论.pdf

第卷第期人民长江
403Vol.40,No.3
2009年2月YangtzeRiverFeb.,2009

文章编号:1001-4179(2009)03-0066-03

多圆柱绕流旋涡脱落和流场形态概论

杨纪伟滕丽娟胥战海

(河北工程大学,河北邯郸056038)

摘要:当流体绕多个圆柱流动时,圆柱的个数、相对位置和大小都明显影响着绕流流场结构。基于已有研究成
果,归纳总结了流场中放置双圆柱、三圆柱、四圆柱和流场中主圆柱附近放置1个或2个附属小圆柱时,随圆柱
相对位置变化,流场结构和旋涡脱落状态的演变规律。双圆柱相对位置分串列、并列和错置3种,其绕流流态
按间距比和水流攻角对旋涡脱落形态的影响划分,流态在临界间距比上下变化很大;三圆柱呈“品”字布置,当
间距比小于临界值时,出现明显的偏流现象,大于临界值后不再出现偏流现象;三圆柱呈倒“品”字布置,在任
何间距比下,流动状态相对于来流几乎都是对称分布的;四圆柱绕正方形排列,实验研究发现上游两圆柱后没
有旋涡形成和脱落,下游两圆柱旋涡脱落反相同步,而数值模拟得到上下游柱后都有明显的涡脱落;主圆柱尾
流中存在附属小圆柱时,调整小圆柱的位置能够有效抑制尾流中的旋涡脱落。
关键词:多圆柱;附属小圆柱;旋涡脱落;流场
中图分类号:TV143文献标识码:A

也可把三圆柱看作双柱错置的组合。绕正方形排列的四圆柱,
1概述
可被视为两组并列双柱(1和2,3和4)或两组串列双柱(1和4,
当流体绕多个圆柱流动时,圆柱之间的耦合干扰作用因圆2和3)组合。主圆柱尾流中有一个附属小圆柱时为双柱绕流,
柱个数、圆柱相对位置、雷诺数等因素而异,致使流场结构和旋有两个附属小圆柱时为三柱绕流,但附属小圆柱的直径d小于
涡脱落形态随这些因素的变化而发生很大的改变。多圆柱绕流主圆柱的直径D(详见下文的3、4节)。
在国际上一直倍受关注,除群桩、群柱外,当前的多圆柱绕流研
究成果主要集中在双圆柱、三圆柱和四圆柱上。基于现有的研3多圆柱相对位置对绕流流态的影响
究成果,本文旨在归纳总结双圆柱串列、并列、错置,三圆柱等边
3.1双圆柱相对位置对绕流流态的影响
“品”字和倒“品”字布置[1],四圆柱绕正方形排列[2],主圆柱尾
双圆柱串列、并列和错置时,绕流流态差别很大,其主要受
流中存在1个或2个附属小圆柱[3]时,圆柱个数与圆柱相对位
雷诺数、间距比、水流攻角等因素影响。国外学者在亚临界雷诺
置对绕流流场和旋涡脱落状态的影响。
数范围内通过实验研究了不同间距比和水流攻角下的双柱绕
2圆柱的相对位置流,并据此划分绕流流态。Zdravkovich(1985)[4](1988)[5]得出
了双圆柱串列、并列绕流流态随间距变化的图谱(如图2所
当前的大部分多圆柱绕流都选取比较典型的排列方式作为
示)。斜置是双圆柱排列方式中最普遍的形式,在这种排列方
研究对象,如图1所示。
式下,两柱间隙之间的流动偏向前柱,前柱尾迹总是比后柱窄。
Sumner(2000)[6]在850≤Re≤1900的低亚临界雷诺数,S/d
=1.0～5.0的间距比和α=0°～90°的攻角范围内,将斜置双
圆柱绕流流态划分为9种(如图3所示)。
据此本文将双圆柱串列、并列、错置的各旋涡脱落形态及绕
流特征总结如表1。
图1多个圆柱的相对位置3.2三圆柱相对位置对绕流流态的影响
α
双圆柱的排列方式有串列(水流攻角=0°,间距T=0)、三圆柱也是圆柱群中很有意义的基本组成单元,可将其视
并列(水流攻角α=90°,间距L=0)、斜置(水流攻角α,间距T为多个斜置双圆柱的组合,因而绕过三圆柱的流动比双圆柱更
和L都不等于0)3种。三圆柱等边呈“品”字和倒“品”字布置,加复杂。关于三圆柱绕流,国内外大多数研究是针对压力分布
当呈“品”字时,上游为单圆柱A,下游为双圆柱B、C并列,呈倒和旋涡脱落频率的,对流态的探讨主要围绕低雷诺数下三圆柱
“品”字布置刚好相反,上游为双柱B、C并列,下游为单圆柱A,等边呈“品”字和倒“品”字布置[1～7]、间距比对绕流流态的影响

收稿日期:2008-08-28;修回日期:2008-12-11
作者简介:杨纪伟,男,河北工程大学水电学院,教授。

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第3期杨纪伟等:多圆柱绕流旋涡脱落和流场形态概论67

展开。间距比L/d较小时,圆柱之间的干扰较为严重。对于“品”
字布置的三圆柱绕流,当间距比小于临界值时会出现偏流现象,
随间距比增大,圆柱之间的干扰逐渐减弱。对于倒“品”字布置
的三圆柱绕流,无论在怎样的间距比下,流动状态相对于来流几
乎都是对