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钝体空气动力学研究和风工程研究有着十分密切的关系,研究各种建筑物的空气动力学性质对风工程基础性研究具有重要的意义和应用价值。圆柱和矩形柱是两种最常见的钝体。而具有矩形截面的建筑物在工程实践中被普遍采用。对矩形柱空气动力特性的研究,特别是对矩形柱群间流动特性的机理性研究涉及到许多流体力学的基本问题,例如剪切层,分离,漩涡脱落,湍流等,因此,具有十分重要的学术意义和实际工程应用价值。
本文主要通过压力测量实验和流动显示两种方法,分别研究了在均匀来流下绕经不同长宽比的二维双矩形柱体在不同间距比和入射角下的流动特性,选择三种典型长宽比为别为b/h=0.5,0.6和2.0。通过对平均压力分布,阻力系数,St数和流动显示等实验结果的分析,将三种不同长宽比下的双矩形柱体在不同排列布置时的流动状态进行了划分,对每种流动状态下表现出来的流动特性进行了分析和讨论,并对其中一些实验现象的机制进行了比较深入的探讨和研究。最后,本文还对长宽比b/h=0.5时的一些典型状态进行了数值模拟,将获得的结果和实验结果进行了对比分析。
首先,本文对长宽比b/h=0.5,0.6和2.0的单矩形柱进行了表面压力分布测量实验。将得到的平均压力分布和St数和文献中发表的结果进行对比,证实了本实验装置和测量手段的可靠性。同时,为下一阶段双矩形柱相互干扰影响实验结果分析提供依据。
然后对上述三种典型长宽比的双矩形柱在不同排列布置时的表面压力分布进行了系统的实验,结合流动显示的实验得到了以下结果:
长宽比b/h=0.5时:可以将绕经两柱的流动形态划分三种不同机制的相互作用类型,分别为前柱剪切层与后柱之间的相互作用类型,前柱脱落的旋涡与后柱之间的相互作用类型,和两柱脱落的旋涡之间的相互作用类型。上述每种类型又可以细分为三种形态,因此共九种类型。给出了每种流态类型中的流动特性和两柱间的剪切层或旋涡相互作用示意图。同时,还对在串列布置时的后柱阻力系数跃迁和并列布置时间隙流切换现象进行了机理性的探讨,认为后柱阻力系数跃迁的原因对应着两种流动形态的转变,前柱脱离的旋涡由包裹后柱转变为直接作用于后柱正面;而间隙流的切换对应着一个矩形柱外侧脱落的旋涡和另一个矩形柱内侧脱落的旋涡之间的合并出现两种不同的结果,这个过程又称为双稳态偏流。
长宽比b/h=0.6时:绕经两柱的流动形态同样可以被划分为与b/h=0.5时相类似的十种类型。对每种流态类型中的流动特性进行了讨论并给出了两柱间的剪切层或旋涡相互作用示意图。
长宽比b/h=2.0时:绕经两柱的流动形态划分为三种类型,分别为类单柱类型,前柱脱落的旋涡与后柱之间的相互作用类型,和旋涡之间相互作用类型。类单柱类型和旋涡之间相互作用类型又各自可细分为两种形态,因此共五种类型。给出了每种流态类型的流动特性和两柱间的剪切层或旋涡相互作用示意图。发现了相对于长宽比b/h=0.5和0.6的双矩形柱而言,此时偏斜流对两柱的旋涡脱落的促进作用十分有限。
最后,本文对长宽比b/h-0.5时双矩形柱的一些典型状态进行了数值模拟。和实验结果比较,说明了通过数值模拟研究钝体绕流问题还有许多工作要做。