D型平板叶栅绕流及其受力特性研究

论文摘要

平板绕流属于经典的基础流体力学问题,涉及边界层分离、尾迹等复杂流动结构,平板受流体激励,诱发结构振动、流动噪声等现象。平板绕流现象常见于水力机械、桥梁、海洋、地面交通等工程领域,对其研究可为工程应用提供基础理论支撑。与普通平板相比,D型平板对前缘进行了修圆,使得流动分离点发生变化,影响了其尾涡脱落形态与发展规律,平板受力特性也发生了改变,对其研究可为流动控制、低噪声叶片设计提供参考,也可为数值计算验证提供可靠数据。本文在国家自然科学基金“泵内受迫湍流的涡动力学特征及其激励机制”(No:51576090)的资助下展开研究,主要工作及获得的成果如下:1.以D型平板为研究对象,综合采用激光多普勒测速(LDA)与粒子图像测速仪(PIV),对单平板及其叶栅绕流流场进行较为全面、精确地测量。借助本征正交分解(POD)法,提取和识别流场中的大尺度旋涡结构,以探究雷诺数Re、弦厚比L/D、流向间距比T/D和横向间距比H/D对平板绕流尾迹的影响。2.为研究平板绕流受力特性,采用大涡模拟(LES)方法对其进行精确的非定常数值计算。以单平板和错列双平板模型计算结果与LDA、PIV结果进行对比分析,验证了数值计算方法的适用性与准确性。3.开展了Re=3×10~3~4×10~4范围内,L/D=1~8之间的单平板绕流实验研究。通过对其时均速度场、湍流强度、速度频谱以及POD空间模态进行分析,获得了斯特劳哈尔数(St数)随L/D、Re的变化规律。研究表明:St数随L/D呈“条带状”分布在0.23~0.26之间(L/D=1工况除外);相同Re下,L/D≥2时,各工况时均速度场分布高度重合,涡脱频率基本保持一致,流动模式趋于一致;St数随Re呈“对勾状”分布,可将其划分为“下降区”、“过渡区”、“动态稳定区”三个区域;在“动态稳定区”,随着Re增大,St数趋于0.245。与普通平板相比,D型平板绕流尾迹对Re变化更为敏感。4.选取一对L/D=3.75的平板为研究对象,对Re=3×10~3~4×10~4范围内,T/D=0~6,H/D=0~4之间的错列双平板绕流进行测量。研究发现:T/D=3可作为串列双平板绕流的流向临界间距比,此处St数有极小值。小于此临界值时,St数几乎不变;大于此临界值后,St数随之增大,且趋于单平板绕流St数。H/D=2可作为错列双平板绕流的横向临界间距比;H/D=1时,只在下游平板尾缘处形成涡脱,对应大尺度卡门涡街与单平板绕流涡脱在本质上仍属于同一涡系;H/D=2时,上下游平板均有涡脱形成,但两平板涡脱频率差值达到极大值。随着H/D增大,两平板涡脱频率差异逐渐减小,流动结构趋于一致。5.对比单平板及错列双平板绕流数值计算结果发现:错列双平板模型中,由于破坏了单平板绕流的对称性,上下游平板时均升力系数并不为零。与单平板绕流相比,上下游平板升阻力系数均出现不同程度的变化,其中上游平板升力系数变化更为剧烈,其升力系数从单平板时围绕零上下波动变为围绕某一负值上下波动。阻力系数变化较小,围绕某一正值以较小的幅度波动。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景、目的及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 圆柱绕流
•     1.2.2 方柱和平板绕流
•   1.3 本文主要研究工作
• 第二章 实验系统及测量方法
•   2.1 实验系统及模型
•     2.1.1 实验系统
•     2.1.2 实验模型
•   2.2 流场测量方法
•     2.2.1 LDA系统及测量方法
•     2.2.2 PIV系统及测量方法
•   2.3 本征正交分解法
•   2.4 本章小结
• 第三章 数值计算方法与验证
•   3.1 湍流理论及计算方法
•   3.2 计算模型及方法
•     3.2.1 模型设计及计算域
•     3.2.2 网格划分
•     3.2.3 计算方法和边界条件
•   3.3 数值计算方法验证
•     3.3.1 涡脱频率
•     3.3.2 PIV瞬时涡量场
•   3.4 本章小结
• 第四章 单平板绕流结构与受力特性
•   4.1 弦厚比对单平板绕流的影响
•     4.1.1 平板中心线时均速度分布
•     4.1.2 尾迹区时均速度与湍流强度分布
•   4.2 尾迹涡脱频率特征
•     4.2.1 弦厚比对涡脱频率的影响
•     4.2.2 St数随雷诺数与弦厚比的变化
•   4.3 尾迹涡结构POD模态分析
•     4.3.1 不同弦厚比下尾迹涡结构
•     4.3.2 不同雷诺数下尾迹涡结构
•   4.4 平板受力特性
•   4.5 本章小结
• 第五章 错列双平板叶栅绕流结构及受力特性
•   5.1 流向间距比对串列双平板绕流的影响
•     5.1.1 平板中心线时均速度分布
•     5.1.2 尾迹区时均速度与湍流强度分布
•     5.1.3 St数随流向间距比的变化
•   5.2 横向间距比对错列双平板绕流的影响
•     5.2.1 平板中心线时均速度分布
•     5.2.2 尾迹区时均速度与湍流强度分布
•     5.2.3 St数随横向间距比的变化
•     5.2.4 错列双平板绕流尾迹涡结构
•   5.3 错列双平板受力特性
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 研究工作总结
•     6.1.1 实验研究
•     6.1.2 数值计算
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 苟文波

导师: 高波

关键词: 型平板绕流,测量,尾迹,升阻力特性

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 江苏大学

基金: 国家自然科学基金“泵内受迫湍流的涡动力学特征及其激励机制”(No:51576090)

分类号: O357.5

总页数: 105

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