圓柱體附近流場(chǎng)影響因素研究

【摘 要】圓柱體是設(shè)備當(dāng)中的重要部件，直接影響著設(shè)備性能。圓柱體附近流場(chǎng)是影響圓柱體性能的重要因素。通過對(duì)圓柱體附近流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算可以分析圓柱體附近氣體流動(dòng)特性、流動(dòng)狀態(tài)和變化情況。流動(dòng)狀態(tài)主要是指層流和湍流兩種，層流是一種比較規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)，相對(duì)層流流動(dòng)而言，湍流流動(dòng)是一種比較復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。這兩種流動(dòng)狀態(tài)截然不同。本文就不同情況下圓柱體附近流場(chǎng)變化情況進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)圓柱體附近流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓柱體附近流場(chǎng)變化情況直接影響著圓柱體性能大小及隨結(jié)構(gòu)尺寸變化程度，從而影響設(shè)備的性能。通過對(duì)流體流過物體形狀加以改變以及加入擾動(dòng)等方式，可以使得流場(chǎng)發(fā)生改變，從而影響圓柱體的性能。例如在處于充分發(fā)展湍流流動(dòng)狀態(tài)原流場(chǎng)上，通過振動(dòng)發(fā)生器引入與氣流運(yùn)動(dòng)平面方向垂直的周期性擾動(dòng)，就可以改變?cè)鲌?chǎng)邊界層速度分布，從而削弱湍流與固體壁面的相互作用，改變流動(dòng)狀態(tài)。改變圓柱體表面形狀，使其形成溝槽式表面，同樣可以削弱湍流與固體壁面的相互作用，從而使得圓柱體附近流場(chǎng)發(fā)生改變。

【關(guān)鍵詞】流場(chǎng)；流動(dòng)狀態(tài)；擾動(dòng)

中圖分類號(hào)： V211.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）32-0252-004

【Abstract】To optimize the cylinder，the flow near the cylinder in different situation have been calculated and analysed.According to the diversification of the velocity，a method to change the velocity distribution have been brought forward，according to this，the performance of the cylinder can be optimized.

【Key words】Flow；Flow state；Disturbance

0 引言

圓柱體是設(shè)備當(dāng)中的重要部件，直接影響著設(shè)備性能。圓柱體附近流場(chǎng)是影響圓柱體性能的重要因素。通過對(duì)圓柱體附近流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算可以分析圓柱體附近氣體流動(dòng)特性、流動(dòng)狀態(tài)和變化情況。流動(dòng)狀態(tài)主要是指層流和湍流兩種，層流是一種比較規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)，相對(duì)層流流動(dòng)而言，湍流流動(dòng)是一種比較復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。湍流指粘性流體（液體、氣體、等離子體）在高雷諾數(shù)條件下由于流動(dòng)失穩(wěn)而引起的極端混亂的流動(dòng)狀態(tài)。它是自然界和工程中廣泛存在的流體流動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)也是自然科學(xué)和工程技術(shù)中亟待解決的一個(gè)難題，工程技術(shù)中的大量問題與湍流問題密切相關(guān)[1]。

相對(duì)于層流邊界層，湍流邊界層可以使壁面摩擦阻力大幅度增加，能耗增大，壁面振顫加劇，機(jī)械效率下降，從而對(duì)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)物的安全可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，從機(jī)理上分析湍流邊界層中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其形成原因，進(jìn)而提出控制湍流邊界層的有效方法成為湍流研究的前沿課題。在早期的湍流研究中，湍流邊界層內(nèi)的流動(dòng)被看作是一種完全隨機(jī)的現(xiàn)象。二十世紀(jì)中葉，隨著流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的迅速發(fā)展，能夠?qū)ν牧鞯拿}動(dòng)特性進(jìn)行了比較細(xì)致的研究。通過大量的實(shí)驗(yàn)觀察和測(cè)量，在湍流邊界層中發(fā)現(xiàn)有組織的大尺度運(yùn)動(dòng)，這種大尺度運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度、尺度和結(jié)構(gòu)形態(tài)具有普遍性和可重復(fù)性，因而被稱為相干結(jié)構(gòu)（亦稱擬序結(jié)構(gòu)）[1]。進(jìn)一步的研究表明，湍流是由多尺度結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)疊加而成的[1]，相干結(jié)構(gòu)不僅存在于大尺度中，也存在于小尺度中[1]。不同尺度相干結(jié)構(gòu)都具有很強(qiáng)的間歇性，條件相位平均結(jié)果表明，它們的發(fā)展和演化過程具有共同的特征，剪切湍流中的多尺度相干結(jié)構(gòu)對(duì)湍流的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響[7][8]。相干結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是湍流研究中的一次重大突破，使對(duì)湍流本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從完全隨機(jī)無序的階段進(jìn)入到無序和有序并存的新階段[1]?，F(xiàn)在相干結(jié)構(gòu)已經(jīng)被公認(rèn)為是湍流中最重要的結(jié)構(gòu)。它對(duì)湍流的維持、演化和發(fā)展起著重要的作用。開展湍流相干結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，為認(rèn)識(shí)湍流的本質(zhì)開辟了新的途徑[1]。

氣流為層流流動(dòng)時(shí)，只存在通常意義上的粘性切應(yīng)力，即流體層之間只存在由分子擴(kuò)散引起的切應(yīng)力，而如果流體做湍流流動(dòng)，流體層之間除了存在這種通常意義上的切應(yīng)力之外，還存在著由湍流脈動(dòng)引起的附加切應(yīng)力，即雷諾應(yīng)力，實(shí)際有效切應(yīng)力為兩者之和。混合長度理論是普朗特在1925年提出的，主要思想是：湍流中流體微團(tuán)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)與氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)類似，可以借用分子運(yùn)動(dòng)論中建立粘性應(yīng)力與速度梯度之間關(guān)系的方法來研究湍流雷諾應(yīng)力與時(shí)均速度的關(guān)系[2]。本文采用此理論計(jì)算脈動(dòng)速度和雷諾應(yīng)力。

1 圓柱體附近氣體速度分布的計(jì)算

圓柱體附近氣體流動(dòng)狀態(tài)不同，會(huì)對(duì)圓柱體能耗有一定影響，也會(huì)使圓柱體長度改變對(duì)圓柱體能耗的影響程度有所改變，而且如果圓柱體前端附近氣流雷諾數(shù)較大這一點(diǎn)判斷，圓柱體前端附近是可能存在湍流流動(dòng)的，那么圓柱體附近氣體流動(dòng)狀態(tài)究竟是怎樣的呢？是接近層流流動(dòng)還是湍流流動(dòng)？圓柱體附近來流速度改變是否會(huì)改變圓柱體附近氣體流動(dòng)狀態(tài)？為了解決這一問題，判斷圓柱體附近流場(chǎng)是否存在湍流流動(dòng)，判斷圓柱體附近來流速度對(duì)圓柱體附近流場(chǎng)的影響，對(duì)圓柱體附近氣體速度分布進(jìn)行了計(jì)算。

麥考馬克方法是一種應(yīng)用方便簡單的流體力學(xué)計(jì)算方法，對(duì)于很多流體流動(dòng)問題都能夠給出滿意的結(jié)果[3]，文獻(xiàn)[3]所述的計(jì)算實(shí)例中采用這一方法求解超聲速流動(dòng)，取得了很好的較符合實(shí)際的結(jié)果，因此本文選擇麥考馬克方法對(duì)圓柱體附近速度分布進(jìn)行計(jì)算。

1.1 計(jì)算模型

如圖1所示為計(jì)算模型示意圖，計(jì)算距圓柱體頭部約x1mm處速度分布，給定圓柱體前端來流速度為V1、V2、V3、V4、V5，其中V1< V2< V3< V4< V5。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 控制方程

2 計(jì)算結(jié)果

圖3為圓柱體附近氣流來流速度不同時(shí)y方向速度沿z方向分布圖，從圖3中可以看出，圓柱體附近氣流來流速度小范圍改變，其速度分布特點(diǎn)類似，說明圓柱體附近氣體流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)特點(diǎn)在來流速度小范圍變化時(shí)沒有發(fā)生變化?？梢钥闯鰜砹魉俣仍黾拥揭欢ǔ潭葓A柱體附近氣流y方向速度分布發(fā)生明顯變化，可見當(dāng)圓柱體附近氣流來流速度增大到一定值時(shí)流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生明顯改變。再將來流速度增大時(shí)，速度分布狀態(tài)并沒有發(fā)生大的變化。當(dāng)來流速度變化時(shí)，來流速度越大，z方向速度差越大，來流速度的增加造成速度脈動(dòng)增大，從而會(huì)增大圓柱體能耗。

從圖4中可以看出計(jì)算所得速度剖面在對(duì)數(shù)律區(qū)與對(duì)數(shù)律擬合曲線符合較好，從圖4所示邊界層分布特點(diǎn)（存在緩沖層、對(duì)數(shù)律區(qū)）看，在圓柱體壁面附近存在一定程度湍流流動(dòng)。而且如圖3所示邊界層很薄，速度梯度很大，來流速度較大時(shí)，這一區(qū)域應(yīng)該存在很強(qiáng)的湍流脈動(dòng)，在計(jì)算圓柱體能耗時(shí)應(yīng)該考慮湍流脈動(dòng)引起的能耗。

3 結(jié)論

1）來流速度增加到一定程度圓柱體附近氣流y方向速度分布發(fā)生明顯變化，當(dāng)圓柱體附近氣流來流速度增大到一定值時(shí)流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生明顯改變。

2）當(dāng)來流速度變化時(shí)，來流速度越大，z方向速度差越大，來流速度的增加造成速度脈動(dòng)增大，從而會(huì)增大圓柱體能耗。

3）在圓柱體壁面附近存在一定程度湍流流動(dòng)。而且邊界層很薄，速度梯度很大，應(yīng)該存在很強(qiáng)的湍流脈動(dòng)，在計(jì)算圓柱體能耗時(shí)應(yīng)該考慮湍流脈動(dòng)引起的能耗。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙君.壁湍流相干結(jié)構(gòu)雷諾應(yīng)力的渦粘性本構(gòu)關(guān)系與控制[D].天津：天津大學(xué)碩士論文，2008：100-101.

[2]H.歐特爾.普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2008：227-306.

[3]John D.Anderson.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2009：100-300.