边界层流动控制的数值模拟与DPIV实验研究

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本论文跟踪了国内外关于流动控制问题的最新研究动向,对本领域内的研究方法和进展进行了综述和分析。以动波壁为研究对象,将其应用于流体力学中的经典问题:圆柱绕流及其流动控制方法研究。在对计算流体力学及圆柱绕流理论知识深入了解的基础上,通过数值模拟及数字粒子图像测速系统(DPIV)实验两种途径对动波壁圆柱开展研究,比较动波壁圆柱与光滑圆柱的尾流场及受力情况的差异,并讨论了不同来流速度及动波壁波速对圆柱尾流场的影响。论文的主要工作及成果如下:1)较为全面地回顾和分析了国内外研究流动控制问题的动态和进展,分析比较了不同控制方法的差异,分析了目前研究成果中存在的不足及待深入研究的问题。2)建立二维的动波壁圆柱计算模型,通过计算流体力学软件Fluent动态链接C语言自编的UDF程序来实现动波壁的数值模拟,开展了Re=500及Re=12500时不同动波壁波动速度下圆柱的尾流场及受力情况的研究。结果发现圆柱尾流场中轴线上的流体速度随着动波壁波速的增加而增大,阻力随着波动速度增加而减小。Re=500时,波速达到4倍来流速度,尾流场的涡街完全消失,超过5倍来流速度后阻力为负值。Re=12500时,波速达到1倍来流速度后,涡街完全消失,超过2倍来流速度后阻力为负值。两种雷诺数下圆柱的升力及阻力曲线都出现不规则高频振荡现象。3)建立了三维动波壁圆柱计算模型,开展了Re=12500时不同波动速度对圆柱绕流尾流场及受力情况的研究,其现象与同雷诺数下二维数值模拟的结果基本一致,不同之处在于升力曲线并没有出现高频振荡,只是稳定在零值附近,而阻力曲线出现震荡,幅值随波速增加而加大,震荡频率与波动频率一致。4)根据数值模拟计算模型,利用CAD及Solidworks软件设计了动波壁圆柱实验装置,加工制作了动波壁实验装置,并通过编译VB程序实现对动波壁波动速度的控制。5)利用DPIV系统,在小型试验水槽中进行了动波壁圆柱尾流场的测试,在雷诺数Re=12500,来流速度u=0.125m/s的情况下,对动波壁波动速度w=0(光滑圆柱)、0.0625、0.125、0.1875m/s等十二种工况进行了实验,观察其尾流场与光滑圆柱尾流场的区别,发现动波壁提高了尾流场流体的速度,并减弱了交替脱落的尾涡,从实验角度证明了动波壁抑制涡激振动的效果。
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