低雷诺数下三方柱绕流机理研究

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1、博士学位论文低雷诺数下三方柱绕流机理研究FLOWAROUNDTHREESQUAREPRISMSATALOWREYNOLDSNUMBER郑钦敏哈尔滨工业大学2018年3月国内图书分类号：O351.2学校代码：10213国际图书分类号：532密级：公开工学博士学位论文低雷诺数下三方柱绕流机理研究博士研究生：郑钦敏导师：Md.MahbubAlam教授申请学位：工学博士学科：流体机械及工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O351.2U.D.C:532DissertationfortheDocto

2、ralDegreeinEngineeringFLOWAROUNDTHREESQUAREPRISMSATALOWREYNOLDSNUMBERCandidate：QinminZhengSupervisor：Prof.Md.MahbubAlamAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：FluidMachineryandEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Insti

3、tution：HarbinInstituteofTechnologyAbstract(InChinese)摘要在实际生产实践中，细长状钝体结构通常以“群”的形式存在，例如高层建筑物、烟囱、换热器管束、斜拉桥钢索、主板电子元器件以及海洋勘探平台立管。紧凑布置的钝体群绕流流动通常伴随着剪切层分离和再附，漩涡与结构、漩涡与漩涡之间的相互作用，以及尾流涡街演化等复杂流动现象；将恶化钝体结构疲劳损伤或局部污染物聚集。对并列和串列三方柱绕流流动特征的研究，有助于对多钝体结构复杂绕流流动现象(即存在多间隙流相互作用，二次涡街与下游柱体相互作用等)的理解，因此对基础和工程应用

4、研究均具有重要意义。低雷诺数的数值计算结果可提供清晰、明显的尾流流场结构信息，包括漩涡的形成和相互作用、漩涡脱落的相位差以及涡街的演化过程，等等。低雷诺数的数值计算结果无法直接适用于高雷诺数的工程应用实践，但有助于理解高雷诺数的绕流流动机理。因此，在钝体群绕流研究领域，二维低雷诺数直接数值计算方法被广泛采用。本文通过直接数值计算方法系统地研究了低雷诺数(Re=150)下并列三方柱绕流流动特征，其中方柱中心间距比L/W=1.1-9.0(L为方柱中心间距，W为方柱边长)，并定义了五种不同流动形态：类单一钝体流动(based-bleedflow,L/W<1.4)、不

5、稳定流动(flip-floppingflow,1.4

6、frequency)现象，对应着柱体升力系数峰值或幅值的周期性变化。论文揭示了节拍频率现象产生的内在机理：方柱间间隙两侧剪切层脱落的相位差是节拍频率现象产生的根源。当间隙两侧剪切层以同相相位脱落时，两剪切层界-I-DoctoralDissertationOfHarbinInstituteOfTechnology面(间隙中心线)上的粘性力为零，从而导致最大的间隙流向速度脉动与动量脉动，进而产生最大的柱体升力系数幅值。反之，当间隙两侧剪切层以反相相位脱落时，两侧剪切层界面上的粘性力达到最大值，与之对应的是最小的间隙流向速度脉动、动量脉动和柱体升力系数幅值。当间隙两

7、侧剪切层脱落的相位差从同相向反相过渡，两侧剪切层界面上的粘性力逐渐增大，导致柱体升力系数幅值从最大值逐渐过渡到最小值。本文还细致研究了低雷诺数(Re=150)下串列三方柱绕流流动特征，其中方柱中心间距比L/W=1.2-10.0。基于对绕流流场结构，漩涡脱落频率，作用于柱体的流体力，涡量、速度和压力场的详尽分析，确定了四种不同流动形态和相应的方柱中心间距区间：单一钝体流动(singlebluff-bodyflow,L/W<3.0)、交替再附着流动(alternatingreattachmentflow,3.0

8、izedcosheddingflow,