圓柱體附近流場影響因素研究

【摘 要】圓柱體是設備當中的重要部件，直接影響著設備性能。圓柱體附近流場是影響圓柱體性能的重要因素。通過對圓柱體附近流場進行計算可以分析圓柱體附近氣體流動特性、流動狀態和變化情況。流動狀態主要是指層流和湍流兩種，層流是一種比較規則的流動狀態，相對層流流動而言，湍流流動是一種比較復雜的流動現象。這兩種流動狀態截然不同。本文就不同情況下圓柱體附近流場變化情況進行了計算，對圓柱體附近流動狀態進行了分析，結果發現圓柱體附近流場變化情況直接影響著圓柱體性能大小及隨結構尺寸變化程度，從而影響設備的性能。通過對流體流過物體形狀加以改變以及加入擾動等方式，可以使得流場發生改變，從而影響圓柱體的性能。例如在處于充分發展湍流流動狀態原流場上，通過振動發生器引入與氣流運動平面方向垂直的周期性擾動，就可以改變原流場邊界層速度分布，從而削弱湍流與固體壁面的相互作用，改變流動狀態。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發生改變。

【關鍵詞】流場；流動狀態；擾動

中圖分類號： V211.41 文獻標識碼： A 文章編號： 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

圓柱體是設備當中的重要部件，直接影響著設備性能。圓柱體附近流場是影響圓柱體性能的重要因素。通過對圓柱體附近流場進行計算可以分析圓柱體附近氣體流動特性、流動狀態和變化情況。流動狀態主要是指層流和湍流兩種，層流是一種比較規則的流動狀態，相對層流流動而言，湍流流動是一種比較復雜的流動現象。湍流指粘性流體（液體、氣體、等離子體）在高雷諾數條件下由于流動失穩而引起的極端混亂的流動狀態。它是自然界和工程中廣泛存在的流體流動現象，同時也是自然科學和工程技術中亟待解決的一個難題，工程技術中的大量問題與湍流問題密切相關[1]。

相對于層流邊界層，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，機械效率下降，從而對系統和結構物的安全可靠性構成嚴重威脅。因此，從機理上分析湍流邊界層中的流動結構及其形成原因，進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，湍流邊界層內的流動被看作是一種完全隨機的現象。二十世紀中葉，隨著流體力學實驗技術的迅速發展，能夠對湍流的脈動特性進行了比較細致的研究。通過大量的實驗觀察和測量，在湍流邊界層中發現有組織的大尺度運動，這種大尺度運動的強度、尺度和結構形態具有普遍性和可重復性，因而被稱為相干結構（亦稱擬序結構）[1]。進一步的研究表明，湍流是由多尺度結構的運動疊加而成的[1]，相干結構不僅存在于大尺度中，也存在于小尺度中[1]。不同尺度相干結構都具有很強的間歇性，條件相位平均結果表明，它們的發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構對湍流的統計性質產生重要影響[7][8]。相干結構的發現是湍流研究中的一次重大突破，使對湍流本質的認識從完全隨機無序的階段進入到無序和有序并存的新階段[1]。現在相干結構已經被公認為是湍流中最重要的結構。它對湍流的維持、演化和發展起著重要的作用。開展湍流相干結構的理論和實驗研究，為認識湍流的本質開辟了新的途徑[1]。

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

1 圓柱體附近氣體速度分布的計算

圓柱體附近氣體流動狀態不同，會對圓柱體能耗有一定影響，也會使圓柱體長度改變對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較大這一點判斷，圓柱體前端附近是可能存在湍流流動的，那么圓柱體附近氣體流動狀態究竟是怎樣的呢？是接近層流流動還是湍流流動？圓柱體附近來流速度改變是否會改變圓柱體附近氣體流動狀態？為了解決這一問題，判斷圓柱體附近流場是否存在湍流流動，判斷圓柱體附近來流速度對圓柱體附近流場的影響，對圓柱體附近氣體速度分布進行了計算。

麥考馬克方法是一種應用方便簡單的流體力學計算方法，對于很多流體流動問題都能夠給出滿意的結果[3]，文獻[3]所述的計算實例中采用這一方法求解超聲速流動，取得了很好的較符合實際的結果，因此本文選擇麥考馬克方法對圓柱體附近速度分布進行計算。

1.1 計算模型

如圖1所示為計算模型示意圖，計算距圓柱體頭部約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 計算方法

1.2.1 控制方程

2 計算結果

圖3為圓柱體附近氣流來流速度不同時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，其速度分布特點類似，說明圓柱體附近氣體流動狀態和流動特點在來流速度小范圍變化時沒有發生變化。可以看出來流速度增加到一定程度圓柱體附近氣流y方向速度分布發生明顯變化，可見當圓柱體附近氣流來流速度增大到一定值時流動狀態會發生明顯改變。再將來流速度增大時，速度分布狀態并沒有發生大的變化。當來流速度變化時，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增大，從而會增大圓柱體能耗。

從圖4中可以看出計算所得速度剖面在對數律區與對數律擬合曲線符合較好，從圖4所示邊界層分布特點（存在緩沖層、對數律區）看，在圓柱體壁面附近存在一定程度湍流流動。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，這一區域應該存在很強的湍流脈動，在計算圓柱體能耗時應該考慮湍流脈動引起的能耗。

3 結論

1）來流速度增加到一定程度圓柱體附近氣流y方向速度分布發生明顯變化，當圓柱體附近氣流來流速度增大到一定值時流動狀態會發生明顯改變。

2）當來流速度變化時，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增大，從而會增大圓柱體能耗。

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

【參考文獻】

[1]趙君.壁湍流相干結構雷諾應力的渦粘性本構關系與控制[D].天津：天津大學碩士論文，2008：100-101.

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

[3]John D.Anderson.計算流體力學基礎[M].北京：機械工業出版社.2009：100-300.