流体力学Fluent报告——圆柱绕流(3)

3.4 升力系数

本文给出了Re=3000时的圆柱绕流和方柱绕流上下游各圆柱体表面的脉动

图12Re=3000圆柱绕流脉动升力系数

图11 Re=3000方柱绕流升力系数

升力系数变化曲线如图12和图11所示。类似于阻力系数，升力系数由于漩涡的影响也将产生振荡。圆柱绕流到达充分发展湍流要比方柱绕流需要的时间短。

图13不同雷诺数圆柱与方柱平均升力系数

由图13可以看到相对于圆柱绕流，方柱绕流两柱体所受到的升力要大一些。一般而言，随着雷诺数地增加，两柱体的升力系数也跟着变大，但是圆柱绕流下游圆柱的升力系数增加得更为显著，而上游圆柱则不然，缺乏实验数据进一步佐证。对于方柱绕流则很明显，上下游圆柱体升力系数均随着雷诺数地增大而增大。对于两种绕流下游圆柱对雷诺数的变化更为敏感。随着雷诺数地增大，两种柱体的下游圆柱的升力增大得更快。

3.5 Strouhal系数

本文计算了串列圆柱在L/D=2.5时上下游柱体在不同Re的斯特劳哈尔数Sr。如图14所示。根据前面的理论介绍，可以了解到此无量纲数与柱体后的涡脱频率有关，反应了流体流经柱体以后形成漩涡以及漩涡脱落的频率。由可以看到，上下游柱体的涡脱落频率基本相同，而Sr数随雷诺数变化的规律并不明显。圆柱绕流的Sr-Re曲线基本在方柱绕流Sr-Re曲线的上方，说明一般情况下，圆柱体的Sr要比方柱体的大。结合上面的涡量等值线图也可以看到，流体流经圆柱体的涡脱落频率比流经方柱体的脱落频率要大。通过图像可以发现，Re数越大，

串列圆柱的Sr数越接近0.21，通过前面Lienhard的公式可以发现，在亚临界雷诺数范围内，单圆柱体绕流的Sr数大约是0.21，这说明，雷诺数Re越大，对于间距L/D为2.5的串列圆柱体，其Sr数越接近于单圆柱体。而对于方柱绕流，Sr在此范围没有太大变化。

图14不同柱体的Sr-Re曲线

4. 结论

本文运用Fluent商业软件，选择RNG k-ε模型对亚临界雷诺数下二维串列圆柱和方柱绕流问题进行了数值研究。首先先验证了所用网格的独立性，然后计算了不同间距的串列圆柱体的Sr数，并将其与文献的数据进行对比，验证了本文研究思路和程序运用正确性。接着本文分析了雷诺数、柱体形状对柱体绕流阻力、升力以及涡脱频率的影响，发现Re数越大，方柱的阻力越大，而对圆柱体而言，则有减小的趋势；而Re越大，两种柱体的升力均越大。相对于圆柱，同种条件下，方柱受到的阻力要大；相反地，Sr数要小，即就是涡脱落频率要小。Re数越大，串列圆柱的Sr数越接近于单圆柱体的Sr数。

参考文献

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