全风向角下双方柱脉动气动性能试验研究

为阐明双方柱中上游方柱尾流对下游方柱脉动气动性能的影响,在雷诺数Re=8.0×104均匀来流条件下,完成了间距比P/B=1.25～5(其中P为柱心距,B为方柱边长)、全风向角α=0°～90°的双方柱测压风洞试验.分析了不同P/B条件时下游方柱脉动气动力、升力功率谱、Strouhal数和气动力展向相关性随α的变化规律.发现P/B<3时下游方柱的脉动气动力整体上小于单方柱,且α≥40°时几乎不随风向角变化.但在3≤P/B≤5且0°≤α≤30°时下游方柱脉动阻力远大于单方柱.下游方柱的脉动气动力、升力功率谱和气动力展向相关性随α的变化规律在P/B=3前后差异显著.P/B<3时,下游方柱旋涡脱落受到显著抑制;P/B>3时,下游方柱的脉动气动性能近似于单方柱.     

全风向角下小间距双方柱绕流的大涡模拟

采用大涡模拟方法研究了间距比（P/B）为1.5(P为柱心间距，B为方柱边长)、风向角α为0°～90°等条件下双方柱在均匀来流作用下的气动力、流态划分、表面风压和流场特性。研究发现：小间距双方柱流动干扰效应显著，下游柱平均气动力随风向角的变化规律与上游柱和单方柱差异较大，且可能受更大的升力绝对值。将小间距比双方柱绕流分为前角分离流态（α=0°～10°）、分离泡流态（α=20°～30°）、附着流流态（α=40°～60°）及间隙侧分离泡流态（α=70°～90°）四种模式。附着流流态和间隙侧分离泡流态的间隙区出现较强的负压。尾流负压区的强度随风向角先增强后减弱，在α=50°附近达到峰值。前角分离流态时双柱具有一个整体的尾流回流区，而在其他流态下上下游方柱均有独立的回流区。     

串列双方柱的风压特性及其流场机理

为了研究干扰条件下方柱的风压特性及其流场机理,以串列双方柱为研究对象,采用大涡模拟方法,在雷诺数Re=8×104、间距比P/B=1.1～5的条件下,研究了两个方柱的风压系数、气动力系数、风压非高斯特性、风压相关性随间距比的变化规律,重点探讨了双方柱流场特性及其与风压非高斯特性的内在联系.研究结果表明:随着间距比的增大,串列双方柱依次表现为3种流态,即单一钝体、剪切层再附和双涡脱流态,风压特性与流态密切相关.风压的非高斯特性和风压相关性随流态变化呈现为3种类型:在单一钝体流态下,柱间回流区附近的表面风压呈现明显的非高斯特性且风压相关性较强;在剪切层再附流态下,方柱尾流的涡脱强度低,风压相关性弱,但风压非高斯区域大;在双涡脱流态下,受上游方柱尾流旋涡的作用,方柱侧风面的风压相关性较强,下游方柱的侧风面和背风面出现大范围的风压非高斯区域.     

串列双方柱气动性能的流场机理研究

采用非定常雷诺平均法和SST k-ω湍流模型,在雷诺数Re=2.2×104时对五种间距串列双方柱的绕流场进行了数值模拟。结果表明：随着间距比的增大,串列方柱的气动性能会发生剧烈变化,其绕流场会经历三种不同流态：间距比为S/B=1.2时,下游方柱完全被上游方柱的分离剪切层包裹,流场呈现单一钝体流态;S/B=1.5和2时,在上游方柱上分离的剪切层会再附在下游方柱侧面,流场呈现剪切层再附流态,并在两个方柱之间形成强烈的回流区;S/B=3和4时,两个方柱的尾流中都会形成规则的涡街,流场呈现双涡脱流态,此时上游方柱的旋涡会与下游方柱发生复杂的相互作用,造成下游方柱受到很大的脉动风压作用。     

串列双方柱气动干扰机理的数模模拟研究

采用非定常雷诺平均法和SST k-ω湍流模型,在雷诺数Re=2.2×104时对五种间距串列双方柱的绕流场进行了数值模拟。结果表明:随着间距比的增大,串列方柱的气动性能会发生剧烈变化;其绕流场会经历三种不同流态:间距比为S/B=1.2时,下游方柱完全被上游方柱的分离剪切层包裹,流场呈现单一钝体流态;S/B=1.5,2时,在上游方柱上分离的剪切层会再附在下游方柱侧面,流场呈现剪切层再附流态;并在两个方柱之间形成强烈的回流区;S/B=3,4时,两个方柱的尾流中都会形成规则的涡街,流场呈现双涡脱流态。此时上游方柱的旋涡会与下游方柱发生复杂的相互作用,造成下游方柱受到很大的脉动风压作用。     

二维矩形截面柱体气动力系数雷诺数效应

在TJ-2风洞中,测量了5种截面宽厚比(B/D为2.0,2.5,3.0,3.5和4.0)的二维矩形截面柱体的表面风压时程,雷诺数(Re)的变化范围为1.1×105~6.8×105,然后通过风压时程积分的方法获得了模型的气动力系数时程.研究了各模型气动力系数的雷诺数效应,分析了模型的平均阻力系数随截面宽厚比的变化规律,并与以往的研究成果进行了对比,最后分析了各模型的气动力系数功率谱随雷诺数的变化规律.研究表明,宽厚比2≤B/D≤4的二维矩形截面柱体的气动特性受雷诺数的影响,且随着截面宽厚比的增大,二维矩形截面柱体模型的气动特性对雷诺数越来越敏感.尾流区的旋涡脱落对模型顺风向脉动风荷载有一定程度的贡献,但横风向升力主要来源于尾流的漩涡脱落.     

两不同截面串列方柱风力场特性的数值研究

气流围绕组合方柱的流动及产生的流场力比孤立的单柱场复杂,文章采用大涡模拟方法(LES),研究两不同截面方柱(d/D=0.5)串列组合下的高雷诺数(Re=6.5×105)绕流风场,探讨主要区段(L/D=0.75～7.0)内间距对风力场的影响。分析结果表明:较小间距下的间隙变化对涡脱频率及风力影响很大,L/D<1.25及L/D<2.0分别为涡频和风力显著变化区段,而L/D>3.0时风力变化平缓;同单柱情况比较,除后柱阻力系数均方误差在中等间距(L/D=1.7～5.7)明显大于单柱外,两柱阻力系数时均值和风力系数均方误差均小于单柱;前柱的漩涡脱落决定风场脉动特性,后柱涡频则由前柱锁定,L/D≥1.25时两柱涡频将等同于单柱。     

类方柱的气动性能和流场特性

以优化方柱气动外形为目的,采用大涡模拟方法,在雷诺数为22 000时,研究了采用不同角、边平面形态及其组合(包括尖角、圆角、直边、凸边和凹边等组合)的类方柱的气动性能和流场特性,重点分析了凸边圆角柱的气动性能随边部曲率半径的变化规律,并通过分析流场结构揭示了平面形态修正对类方柱气动性能影响的作用机理.研究发现,角、边形状修正可显著改变绕流场结构,最终影响类方柱的气动性能:尖角柱体圆角化、直边柱体凸边化能显著降低气动力、负压区强度和涡脱强度,并伴随斯托罗哈数上升;而直边柱体凹边化后气动性能变化趋势相反;不同角边形状的组合中,凸边和圆角的组合可导致分离剪切层更紧贴柱体壁面,上、下侧回流区范围变小,尾流回流区长度增大,涡脱强度减弱,气动力下降.对凸边圆角柱的进一步研究表明,柱体的气动性能对边部曲率半径非常敏感;并存在一最优曲率半径,此时凸边圆角柱的平均和脉动气动力最小,斯托罗哈数最大,尾流长度最长,涡脱强度最低.     

尾流干扰下下游圆柱气动性能的流场机理

采用大涡模拟方法,在高雷诺数(Re=1.4×10~5)下,以间距比P/D=1.5～4的静止双圆柱为对象,研究了下游圆柱的气动力系数、风压系数以及流场特性随风向角的变化规律,分析了下游圆柱气动力与流场结构的内在关系,基于圆柱壁面摩擦系数和干扰流态探讨了下游圆柱气动性能的流场机理.研究表明:对于小间距双圆柱(P/D3),下游圆柱会受到明显的平均负阻力作用,两个圆柱间隙中方向相反的一对回流(串列)以及高速间隙流(错列)是出现负阻力的流场机理;对于小间距错列双圆柱(P/D=1.5～3),下游圆柱还会受到很大的平均升力作用(内侧升力),下游圆柱的风压停滞点偏移、高速间隙流和间隙侧壁面的分离泡是出现这一升力的主要原因;对于间距较大的错列双圆柱(P/D=3～4),下游圆柱也会受到明显的平均升力作用(外侧升力),但其机理与小间距时不同,是由下游圆柱的风压停滞点偏移及其间隙侧气流分离点后移造成的.     

错列双圆柱下游圆柱的升力机理

采用大涡模拟(LES)的方法,在雷诺数Re=1.4×10~5时,研究了间距P/D=4(P为圆心间距,D为圆柱直径)、风向角0°～90°的错列双圆柱的气动力特性和干扰流态,从流场角度分析了下游圆柱受到平均升力和脉动升力作用的流场机理.结果表明:随着风向角的增大,两个圆柱的干扰流态依次为旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态、剪切层干扰流态、尾流干扰流态;在旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态下,上游圆柱的旋涡与下游圆柱发生强烈的撞击,导致下游圆柱的脉动升力远大于单圆柱;在剪切层干扰流态下,下游圆柱受到显著的平均升力作用,下游圆柱风压停滞点的偏移以及上游圆柱的旋涡与下游圆柱间隙侧剪切层(或旋涡)的相互作用,是下游圆柱受到平均升力作用的两个原因.