展向具有谐波型扰动的方柱旋涡分离流数值研究.pdfVIP

第25卷 增刊 空 气 动 力 学 学 报 V01．25 2007年 l2月 ACTA AERoDYNAMICA SINICA Dec．，2007 文章编号：0258—1825(2007)增刊一0080—05 展向具有谐波型扰动的方柱旋涡分离流数值研究 林黎明，凌国灿，宋 芳 (中国科学院力学研究所 LNM国家重点实验室，北京 100080) 摘 要：基于Fourier谱方法和有限差分的混合方法，对方型截面柱体的分离流及非定常涡动力学进行数值研究，特 别是展向具有谐波型几何扰动对流动演化及受力变化的影响。结果表明，当Re=100 150，在未引入扰动的柱体 上／下表面处(而非前缘)流动发生局部分离，并形成分离泡。流动分离点随 数增加是逐渐从后缘前移到前缘附 近。沿展向引入扰动后，当 Re=100时，在柱体表面产生流向与垂向涡量，甚至抑制了展向涡的发展。当波陡度 (波高／波长)为0．167时，产生了类似于发夹涡的结构，此时柱体平均阻力系数和升力系数幅值分别减小了9％和 98％。并讨论了相关的机制。 关键词：波型方截面柱体；分离流；数值拟模；非定常涡动力学 中图分类号：V211．3 文献标识码：A 柱体，如图1(a)和(b)所示，其中 ( )是在惯性坐标 0 引 言 系下柱体沿流向的位置函数，即几何扰动波型函数 钝体绕流在结构工程中经常遇到，且其非定常流 ( )=一Wcos( )／2，其中 为扰动波高，扰动波 动对结构受力的影响一直是结构设计中需要特别注 数J8=27t／A， 为扰动波长。并定义柱体向上游弯曲 意的。目前已有许多不少研究工作[1-5 J对方型截面柱 最大处为波峰(Peak)，向下游则为波谷(Valley)。通 体绕流进行了分析与研究，最近对沿展向引入谐波型 过引入由NewmarI【’J和DarekarSherwin[6 J应用的映 几何扰动对柱体的动力学参数，以及对流动中旋涡演 射变换，将展向呈简谐波型变化的柱体(简称波型方 化过程的影响引起了很大的兴趣L6 J。 柱)变换为展向拉直的柱体，如图2所示，这样连同整 然而即使在未引入扰动时，当Re=100～150，直 个计算域在内都将变换为规则的矩形计算区域。从 方柱侧表面的流动分离问题，目前存在着一些疑问， 到，如图2所示，引入如下的映射变换： 并未得到清晰的分析与认识；在引入扰动的曲方柱 = 一 (： )，Y=Y ，：=： (1) 中，扰动对柱体表面向流场中输运涡量的成因， 则无量纲的不可压缩流体运动控制方程为： K6rm6n涡受到抑制以及出现新型态的空间涡结构 (类发夹涡)现象所发生的机制，这些方面的研究还不 够深入；因而本文的工作主要是认识直方柱侧表面的 流动分离情况，以及对展向所引入的扰动对柱体绕流 中旋涡的形成演化及动力学机制进行探索，了解这种 扰动对柱体受力的影响。 1 物理模型与数值方法 图1 (a)引入几何扰动的波型方柱示意图；(b)几何扰动波型函数 1．1 物理模型 Fig．1 (a)Diagram of the square-section cylinder with the spanwise geometrical disturbance；(b)The harmonic 在原始惯性坐标系( ，Y ， )下，研究的物理模 wavy geomerical distur