低Re數下橫向排列雙圓柱繞流流動特性與整體穩(wěn)定性分析.pdf

1、橫向排列雙圓柱繞流問題是多柱繞流問題的特例，它在生產生活中有著廣泛的應用，在理論上也有著重要的科學意義。本文從直接數值模擬和整體線性穩(wěn)定性角度著重對橫向排列靜止雙圓柱在不同圓柱間距情況的流動特性、流動模式分類、臨界Reynolds數、流動分叉類型等方面進行深入分析，對旋轉雙柱繞流的流動特性也進行了考察。主要工作及研究成果包括： (1)采用非結構譜元法對相對于來流橫向排列的等直徑雙圓柱繞流進行了直接數值模擬。考察了低Reynold

2、s數Re下無量綱圓心距T/D從1到3的流動特性，根據計算所得流場結構及兩圓柱的受力情況，將流動分為3種亞臨界定常流動模式：單鈍體定常流、過渡定常流和分離雙體定常流和5種超臨界周期流動模式：單鈍體周期流、側偏周期流、間歇性側偏流、同步同相脫渦、同步反相脫渦及1種超臨界定常流動模式：分離雙體非對稱定常流。在1

3、尤其在1.55≤T/D≤1.65區(qū)間，隨Re增大，流動經歷了上述所有定常流動模式和兩個偏向流動模式。另外，通過計算還證實了雙穩(wěn)現象。 (2)在無分裂誤差區(qū)域分解Stokes算法的譜元法基礎上，運用Newton-Krylov方法迭代求出一定Re下的定常流場，再用Arnoldi方法求出該定常流場的優(yōu)勢特征值和特征向量，首次系統(tǒng)地對該問題進行了整體線性定性分析。分析表明3種亞臨界定常流模式之間只是流場結構的分叉，Navier-Stok

4、es方程并沒有發(fā)生分叉，隨Reynolds數增加定常流動對應的最大增長率始終為負，只是最優(yōu)特征值與次優(yōu)特征值次序發(fā)生了交換。從定常流模式到周期流模式均是Hopf分叉，隨Re增大對應定常解的最優(yōu)特征值從實軸上下兩側穿過虛軸。在1約為單圓柱繞流臨界Re<,CS>一半左右，在T/D>1.65時，臨界Rec稍大于Re<,CS>，并在T/D足夠大后趨于Re<,CS>(≈47)。而從對稱分離雙體定常流到非對

5、稱雙體定常流是又式分叉，在臨界Re<,C>數附近，隨Re數增大最優(yōu)特征值沿實軸穿過虛軸。也即是說在11.65流動只有一個臨界Re<,C>數，而在1.55≤T/D<1.65流動有兩個臨界Re<,>數。 (3)采用直接數值模擬方法研究了旋轉雙圓柱的流動特性，考察參數為T/D=1.6，3.0，Re=100，S=1，2，3，4共計24種情況。對兩柱具有相同旋轉方向(AA方式)的流動，在小間距時兩圓柱尾跡相互耦

6、合在一起，隨著S增加，流場從無規(guī)則流動變?yōu)橛幸?guī)律的卡門渦街，并最終變?yōu)闊o脫渦定常流動。大間距時，兩圓柱各自形成卡門渦街，但隨S增加，上圓柱率先進入無脫渦模式。加速型旋轉方式(AC方式)的雙柱繞流流動在小間距時隨S增大流動模式由間歇側偏流動向同步反相脫渦變化，而在大間距時隨S增大由同步反相脫渦模式變?yōu)闊o脫渦定常流動。阻塞型旋轉方式(CA方式)的雙柱繞流流動在小間距時類似于有勢勢流，而在大間距時，隨S增大，流場由同步反相脫渦模式變?yōu)闊o脫渦的