【摘 要】
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四方柱绕流常见于土木工程、海洋工程等学科领域。当结构置身于风、海流等流体的作用下,有可能因流体分离和旋涡脱落等因素的影响将导致结构的振动进而产生破坏,因此四方柱绕流问题具有重要的研究价值与意义。本文基于石油平台、建筑群等实际工程背景,研究四方柱绕流的三维转捩。本文采用了Nektar++开源软件中的高精度谱/hp单元法对方形布置的四方柱绕流的三维问题进行直接数值模拟研究。通过分析水动力系数、瞬态涡量
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四方柱绕流常见于土木工程、海洋工程等学科领域。当结构置身于风、海流等流体的作用下,有可能因流体分离和旋涡脱落等因素的影响将导致结构的振动进而产生破坏,因此四方柱绕流问题具有重要的研究价值与意义。本文基于石油平台、建筑群等实际工程背景,研究四方柱绕流的三维转捩。本文采用了Nektar++开源软件中的高精度谱/hp单元法对方形布置的四方柱绕流的三维问题进行直接数值模拟研究。通过分析水动力系数、瞬态涡量图、升阻力时程曲线、模态能量发展曲线和可视化三维涡结构对四方柱绕流随时间演化的全过程进行深入分析。研究了典型雷诺数Re=150的五个不同间距比下四方柱绕流的三维性发展特征。发现了在低间距比下的四方柱绕流中,因间隙流对上下两侧剪切层产生扰动,产生了三维转捩现象。进一步提高间距比发现三维效应一度消失,而当间距比提高至L/D=3.5时,尾流的三维转捩再次发生,且被基本不稳定性Mode C所主导。进一步提高间距比,尾流的三维性逐渐消失。研究了典型雷诺数Re=200的五个不同间距比下四方柱绕流的三维性发展特征。结果显示四方柱尾流完全处于三维不稳定模态发展阶段。发现了在低间距比下,因间隙流的作用使得三维不稳定发展出现了多模态互扰效应。揭示了中等间距比L/D=2.5,4时,尾流的三维不稳定性发展再次由基本不稳定性Mode C主导,而介于中间的L/D=3.5的尾流表现出多个模态互扰剧烈的混沌流态。间距比足够大后,不稳定模态Mode C再次消失,尾流发展表现出与单方柱绕流相似的特性。研究了在固定间距比L/D=2.5时各雷诺数下的四方柱绕流的三维性发展特征。发现了随着雷诺数Re=150～300的发展中,流态从周期层流阶段到尾迹转捩阶段过程中产生的三维性均为基本不稳定性Mode C,尾流从同步反相位模式切换为同步正相位模式。通过能量捕捉,发现了三维性发展由不稳定波数5模态转换为不稳定波数4模态,且两控制波数模态均属于基本不稳定性Mode C范畴,波数模态与相位模式相互对应。本文的研究揭示了均匀来流下方形布置的四方柱绕流在不同间距比L/D和层流到尾迹转捩阶段的雷诺数Re下尾流流动模式和三维不稳定模态的演化特征,为四方柱绕流的三维转捩研究提供学术支撑。
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