基于IB-LBM方法的圆柱绕流流场结构统计特性研究
钝体绕流广泛存在于自然界、工程应用和社会生活中，大部分钝体绕流都可以简化为圆柱绕流，研究其流动特性和机理具有广泛的应用背景和很强的理论意义。本文采用浸没边界法和格子Bolzmann方法相结合的方法（IB-LBM）来模拟圆柱绕流这一经典的流体力学问题，主要算例包括双圆柱绕流、近壁面单圆柱绕流和多圆柱绕流，得到如下结论： 1.对于并列双圆柱绕流，研究了圆柱间的间距和圆柱直径大小对流场结构特性影响。发现在等直径的双圆柱绕流问题中，当两个圆柱之间的距离较小时，圆柱上涡的脱落会受到抑制，圆柱的阻力系数近似为1.15；而对于非等直径的圆柱绕流，较小的间距也会抑制涡的脱落，但是小圆柱的阻力系数均大于大圆柱并随着间距增大而减小。 2.对于近壁面圆柱绕流，分析了圆柱与下壁面间距离和雷诺数对流场的影响。结果显示由于壁面的影响，圆柱涡脱落会受到抑制，下方的抑制作用大于上方的，随着间隙比增大，抑制作用减小；间隙比较小时尾流与壁面的相互作用明显且呈拟周期性变化，同时也存在涡合并、附着涡和三级子结构等复杂的流动现象；在间隙比较大时，会出现涡对交换以及涡对位置与无壁面约束时相反的现象；对涡数密度函数、拟涡能以及涡环量三个量与涡面积的关系进行统计均发现存在一定的标度行为。 3.对于利用圆柱列阵激发理想二维湍流结构的研究，分析了流场不同尺度之间的能量传递以及涡结构演化。其流动过程复杂，存在涡合并、涡破碎等现象。能谱结果显示存在双级串过程，能量通量分析很好地解释了此现象的物理机制，结构函数标度指数显示在逆级串上不存在间歇性，而在正级串上存在弱间歇性；涡数密度函数、涡能量以及涡环量三个量与涡面积的关系也存在一定的标度行为；在考虑时间尺度时，关于时间和涡面积的涡数密度函数存在一个三段式函数关系；整个流场的动能以及所有涡结构所含动量随着时间演化几乎保持守恒，涡结构的能量约占整个流场能量的30%。
圆柱绕流;流场结构统计;浸没边界法;格子Bolzmann法;流体力学
上海应用技术大学
硕士
机械工程
刘宇陆
2020
中文
TB126
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）