由于在理论和工程中圆柱绕流都有很重要的意义,国内外许多学者做了很多的研究,包括对圆柱受到的力进行测量从而确定绕流阻力系数。其研究方法包括实验研究、数值模拟等。27488
在试验研究方面前人的研究硕果累累。在1985年,N.E.伊接力其克[1]通过实验得出控制变量条件下,光滑圆柱体阻力系数C与雷诺数Re有一定的关系,如图1.1所示。当Re很小时,绕流阻力只有摩擦阻力,故没有漩涡发生。可是当Re增至足够大时,圆柱表面层流边界层开始转化为紊流边界层,C突然下降。巴比恩斯[2,3]在1963年做了最早的绕流相关的风洞试验,控制变量前提下他测试了风洞中的不同模型,观测到了各种规格的柱体周围的压力分布,对建筑设计相关奠定了相当重要的基础。Tang[4]利用试验对圆单直桩作了一定的研究,通过对测量无墩时断面流体的平均流速,结合测量有墩时流体对断面的平均作用力,得出了不同的结构墩形的阻力系数。卡斯特罗[5]分析了立方体的绕流柱体,通过研究得到了大量的数据,同时也总结出关于方形柱体的流场有关特性,此外他还分析了控制变量前提下与表面成不同角度的情况。
图1.1 阻力系数与雷诺数关系图
随着计算机技术的长足快速发展,计算流体力学对相关实验进行模拟由此产生。在数值模拟方面,圆柱绕流问题有着相当杰出的成就。1992年,清华大学Yuan[6]利用大涡模拟法对亚临界区,即当马赫数Re=1.4×105,圆柱绕流问题进行二文数值模拟,在此研究中运用涡量耗散项来模拟涡街的三文涡量耗散效应的方法,得出了大涡模拟法能模拟出较为准确的主要流动参数。针对卡斯特罗的实验,Baetke[7,8]从 模型出发,对方形圆柱绕流通过数值模拟来演算,结果与真实的实验数据进行对比发现高度一致。1998年,Breuer[9]用LES法应用到Re=3900的圆柱绕流情形,将数值模拟出的结果与真实的实验数据进行对比,同样有着一致性。王龙等人,运用LBM法对马赫数为100的圆柱绕流进行计算,结果也与实验数据相吻合。王亚玲 [10]等人利用CFX-4通过利用粘性不可压缩的流体,进行圆柱绕流的三文数值模拟,通过不可压缩N-S公式,模拟雷诺数Re在300到3×105内的绕流流动,其阻力系数结果比二文模拟时得出的结果要小。论文网
综上我们可以发现,由于实验与模拟的双重发展,超声速圆柱绕流问题已经有了很大的发展。但是由于其条件有一定的局限性(比如需要光滑条件或是稳流条件),而且我们可以看出在非均匀流时多个柱体排列会使流体结构更加复杂。目前对于流体结构的研究还较为贫乏,并且由于对雷诺数的求法大部分为平均法,这样有着一定的局限性,由此对这个方面问题进行深入研究有重要的意义
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