串列雙圓柱時均流場特性分析

邵 山, 陳少松, 魏 愷, 徐一航

(南京理工大學能源與動力工程學院, 江蘇南京 210094 )

引 言

在海洋設施建設、 橋梁建設、 核反應堆散熱裝置等工程建設過程中， 大長細比柱群結構得到了廣泛的應用. 圓柱串聯排列時, 兩圓柱之間的流動相互作用較強[1-5].

Zdravkovich[6]根據間距比L/D(L為兩圓柱之間的距離,D為圓柱直徑)的不同將流動劃分為3種流型: (1)過度流, 即L/D很小, 兩個圓柱體作為一個組合的單一繞流結構； (2)再附流, 即L/D中等大小時, 剪切層從上游的圓柱重新連接到下游的圓柱上; (3)脫落流, 即L/D很大時, Karman渦街從上游圓柱脫落. 在再附流和脫落流的邊界處存在一個臨界的L/D范圍, 在這個范圍內, 再附流和脫落流都間歇地出現, 從一種流型向另一種流型轉換, 稱為雙穩態流[7]. Sakamoto等[8]和Alam等[9-10]對Re=6.5 × 104的串列圓柱進行了實驗, 在脫落流狀態下上游圓柱產生的渦引發下游圓柱渦脫落. 他們觀察到, 對于給定的下游圓柱, 上游圓柱截面的變化會導致上游圓柱脫落頻率的不同. 下游圓柱的渦脫落頻率與上游圓柱的渦脫落頻率相吻合.

近年來, 由于計算流體力學的迅速發展, 對兩串聯圓柱繞流的數值研究越來越多. Mittal等[11]采用有限元方法對Re=100和1 000，L/D=2.5和5.5兩個串聯缸的不可壓縮流動進行了二維數值模擬, 結果表明Reynolds數和圓柱間隙比對圓柱后方流動有較大的影響. Papaioannou等[12]進行了二維和三維直接數值模擬, 重點研究了三維效果, 得出了二維模擬對脫落渦頻率預測不足而三維模擬可以彌補這一缺陷的結論. Carmo等……