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5.3错排45° . 32
5.4直径不同圆柱 33
5.5本章小结 34
结 论 . 35
致 谢 . 36
参考文献 37
1 绪论
1.1 研究意义
钝体绕流现象在实际的应用中圆柱绕流最为常见，出现大量的与之相关的流体控制的理
论研究和工程技术问题， 涉及到海洋油气工程、 航空工程、 工业空气动力学等众多相关领域。
比如：高空飞行的导弹、航天器内的换热器、建筑周边的绕流等都涉及到绕流问题。因此，
圆柱绕流问题研究具有很高的工程应用价值。
在圆柱扰流研究的上百年历史中，实验法是首当其冲的。比如，利用染色技术和烟线法
能够直观地了解到圆柱绕流尾迹特征和尾部旋涡脱落等现象[1]
。 实际工况过于复杂， 相似定律
和相似参数无法满足，加上人为因素的干扰，原型和模型很难完全相似，以上因素都会降低
实验的准确度。随着计算机硬件水平的提升，计算流体力学得到了前所未有的发展，各种商
用计算流体力学软件涌现[2]
。 其中Fluent在可压和不可压流体的计算中有着出色的表现。 Fluent
提供的模型较全面，壁面处理方式分导热、对流、辐射和混合四种，内置适合于层流和高速
湍流计算的多种公式、方程，可根据所需不同边界条件进行对应选择。圆柱绕流模型属于数
值模拟的经典问题，国内外学者在进行圆柱绕流数值模拟时大多采用 Fluent 来完成，其数值
计算结果与实验结果吻合较好。目前单圆柱绕流理论已日趋完善。而针对双圆柱模型的研究
还不充分。管簇（或管束）就是双圆柱模型的进一步扩展。横向流动中管簇（或管束）的传
热与许多工业应用有关，如锅炉中蒸汽产生或空调盘管中的空气冷却过程，圆柱几何布置的
不同影响流动和换热状况。
圆柱数目的增加，意着出现了圆柱彼此间的相互作用，多圆柱绕流中圆柱面上的压强
分布及作用其上力的大小与单个圆柱的情形截然不同。这样也就使得多圆柱绕流规律的基础
研究和工程应用有了更为重要的意义。双圆柱绕流则是多圆柱绕流中其中最为基础的，也是
目前众多学者关注的重点。研究的主要考虑方面集中于圆柱管线上的升力系数、阻力系数、
尾流结构和旋涡脱落频率。近年来在深海资源开发中，通常需要在主管线附近布置小直径的
辅助管线[5]
。由于辅助管线的存在会影响主管线的流场，从而对线的升力、阻力系数、尾流结
构及涡脱落频率也发生了变化。因此对于不同直径双圆柱数值模拟也存在一定的研究价值。
1.2 国内外双圆柱绕流数值计算研究现状
圆柱尾部存在涡脱落，所在流场随时间改变，因而求解的是非定常 N-S 方程。目前，层
流条件（Re 较小）下，以求解二文非定常 N-S 方程为主。Re 越大，绕流流场中三文特性越来越显著，继续利用二文模型模拟流场，必然得到错误的、脱离实际的流场结构，进而不能
获得正确的流场参数，所以，在大Re条件下即湍流情况下就需要求解三文N-S方程。对于湍
流的数值模拟，有直接数值模拟(DNS)、雷诺平均(RANS)、大涡模拟(LES)三种方法。直接
数值模拟（DNS）无需建模，直接采用数值计算求解流动控制方程。由于湍流是多尺度的不
规则流动，要获得所有尺度的流动信息，因而计算量大、耗时多、对于计算机硬件要求高。
目前，直接数值模拟只能计算雷诺数较低的简单湍流运动，例如槽道或圆管湍流，现如今它
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