** 本文采用数值模拟方法对低雷诺数下单壁面圆柱绕流问题进行了研究,通过求解雷诺平均N-S方程,分析了不同雷诺数下圆柱周围流场的特性,包括速度分布、压力分布以及涡街的形成与演化等,研究结果对于理解低雷诺数流动现象以及相关工程应用具有重要意义。
圆柱绕流是流体力学中一个经典的研究课题,在许多工程领域都有广泛的应用,如航空航天、能源、水利等,在低雷诺数情况下,圆柱绕流的流动特性与高雷诺数下有很大的不同,会出现一些特殊的现象,如层流分离、涡街等,对低雷诺数单壁面圆柱绕流的研究具有重要的理论和实际意义。
数值模拟方法
采用有限体积法对雷诺平均N-S方程进行离散求解,湍流模型选择标准k-ε模型,该模型在处理低雷诺数流动问题时具有较好的性能,计算区域选取适当的大小,以确保圆柱周围流场的充分发展,边界条件设置为:圆柱表面为无滑移边界条件,进口为速度入口边界条件,出口为压力出口边界条件,壁面采用标准壁面函数处理。
结果与分析
(一)速度分布 在低雷诺数下,圆柱周围的速度分布呈现出明显的不对称性,随着雷诺数的增加,速度分布逐渐趋于对称,在雷诺数较低时,圆柱尾迹中会出现明显的分离泡,导致尾迹宽度较大。
(二)压力分布 压力分布在圆柱表面呈现出周期性的变化,在低雷诺数下,压力系数的峰值和谷值较大,且压力波动较为剧烈,随着雷诺数的增加,压力系数的峰值和谷值逐渐减小,压力波动也趋于平稳。
(三)涡街的形成与演化 在一定的雷诺数范围内,圆柱尾迹中会形成周期性的涡街,涡街的频率与雷诺数之间存在一定的关系,随着雷诺数的增加,涡街的频率逐渐增大。
通过数值模拟研究了低雷诺数下单壁面圆柱绕流问题,结果表明,在低雷诺数下,圆柱周围的流场特性与高雷诺数下有很大的不同,速度分布不对称,压力分布周期性变化,且会形成涡街,随着雷诺数的增加,流场特性逐渐趋于高雷诺数下的情况,本研究结果为进一步理解低雷诺数流动现象以及相关工程应用提供了有价值的参考。