圆柱体附近流场影响因素研究

【摘 要】圆柱体是设备当中的重要部件，直接影响着设备性能。圆柱体附近流场是影响圆柱体性能的重要因素。通过对圆柱体附近流场进行计算可以分析圆柱体附近气体流动特性、流动状态和变化情况。流动状态主要是指层流和湍流两种，层流是一种比较规则的流动状态，相对层流流动而言，湍流流动是一种比较复杂的流动现象。这两种流动状态截然不同。本文就不同情况下圆柱体附近流场变化情况进行了计算，对圆柱体附近流动状态进行了分析，结果发现圆柱体附近流场变化情况直接影响着圆柱体性能大小及随结构尺寸变化程度，从而影响设备的性能。通过对流体流过物体形状加以改变以及加入扰动等方式，可以使得流场发生改变，从而影响圆柱体的性能。例如在处于充分发展湍流流动状态原流场上，通过振动发生器引入与气流运动平面方向垂直的周期性扰动，就可以改变原流场边界层速度分布，从而削弱湍流与固体壁面的相互作用，改变流动状态。改变圆柱体表面形状，使其形成沟槽式表面，同样可以削弱湍流与固体壁面的相互作用，从而使得圆柱体附近流场发生改变。

【关键词】流场；流动状态；扰动

中图分类号： V211.41 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）32-0252-004

【Abstract】To optimize the cylinder，the flow near the cylinder in different situation have been calculated and analysed.According to the diversification of the velocity，a method to change the velocity distribution have been brought forward，according to this，the performance of the cylinder can be optimized.

【Key words】Flow；Flow state；Disturbance

0 引言

圆柱体是设备当中的重要部件，直接影响着设备性能。圆柱体附近流场是影响圆柱体性能的重要因素。通过对圆柱体附近流场进行计算可以分析圆柱体附近气体流动特性、流动状态和变化情况。流动状态主要是指层流和湍流两种，层流是一种比较规则的流动状态，相对层流流动而言，湍流流动是一种比较复杂的流动现象。湍流指粘性流体（液体、气体、等离子体）在高雷诺数条件下由于流动失稳而引起的极端混乱的流动状态。它是自然界和工程中广泛存在的流体流动现象，同时也是自然科学和工程技术中亟待解决的一个难题，工程技术中的大量问题与湍流问题密切相关[1]。

相对于层流边界层，湍流边界层可以使壁面摩擦阻力大幅度增加，能耗增大，壁面振颤加剧，机械效率下降，从而对系统和结构物的安全可靠性构成严重威胁。因此，从机理上分析湍流边界层中的流动结构及其形成原因，进而提出控制湍流边界层的有效方法成为湍流研究的前沿课题。在早期的湍流研究中，湍流边界层内的流动被看作是一种完全随机的现象。二十世纪中叶，随着流体力学实验技术的迅速发展，能够对湍流的脉动特性进行了比较细致的研究。通过大量的实验观察和测量，在湍流边界层中发现有组织的大尺度运动，这种大尺度运动的强度、尺度和结构形态具有普遍性和可重复性，因而被称为相干结构（亦称拟序结构）[1]。进一步的研究表明，湍流是由多尺度结构的运动叠加而成的[1]，相干结构不仅存在于大尺度中，也存在于小尺度中[1]。不同尺度相干结构都具有很强的间歇性，条件相位平均结果表明，它们的发展和演化过程具有共同的特征，剪切湍流中的多尺度相干结构对湍流的统计性质产生重要影响[7][8]。相干结构的发现是湍流研究中的一次重大突破，使对湍流本质的认识从完全随机无序的阶段进入到无序和有序并存的新阶段[1]。现在相干结构已经被公认为是湍流中最重要的结构。它对湍流的维持、演化和发展起着重要的作用。开展湍流相干结构的理论和实验研究，为认识湍流的本质开辟了新的途径[1]。

气流为层流流动时，只存在通常意义上的粘性切应力，即流体层之间只存在由分子扩散引起的切应力，而如果流体做湍流流动，流体层之间除了存在这种通常意义上的切应力之外，还存在着由湍流脉动引起的附加切应力，即雷诺应力，实际有效切应力为两者之和。混合长度理论是普朗特在1925年提出的，主要思想是：湍流中流体微团的不规则运动与气体分子的热运动类似，可以借用分子运动论中建立粘性应力与速度梯度之间关系的方法来研究湍流雷诺应力与时均速度的关系[2]。本文采用此理论计算脉动速度和雷诺应力。

1 圆柱体附近气体速度分布的计算

圆柱体附近气体流动状态不同，会对圆柱体能耗有一定影响，也会使圆柱体长度改变对圆柱体能耗的影响程度有所改变，而且如果圆柱体前端附近气流雷诺数较大这一点判断，圆柱体前端附近是可能存在湍流流动的，那么圆柱体附近气体流动状态究竟是怎样的呢？是接近层流流动还是湍流流动？圆柱体附近来流速度改变是否会改变圆柱体附近气体流动状态？为了解决这一问题，判断圆柱体附近流场是否存在湍流流动，判断圆柱体附近来流速度对圆柱体附近流场的影响，对圆柱体附近气体速度分布进行了计算。

麦考马克方法是一种应用方便简单的流体力学计算方法，对于很多流体流动问题都能够给出满意的结果[3]，文献[3]所述的计算实例中采用这一方法求解超声速流动，取得了很好的较符合实际的结果，因此本文选择麦考马克方法对圆柱体附近速度分布进行计算。

1.1 计算模型

如图1所示为计算模型示意图，计算距圆柱体头部约x1mm处速度分布，给定圆柱体前端来流速度为V1、V2、V3、V4、V5，其中V1< V2< V3< V4< V5。

1.2 计算方法

1.2.1 控制方程

2 计算结果

图3为圆柱体附近气流来流速度不同时y方向速度沿z方向分布图，从图3中可以看出，圆柱体附近气流来流速度小范围改变，其速度分布特点类似，说明圆柱体附近气体流动状态和流动特点在来流速度小范围变化时没有发生变化。可以看出来流速度增加到一定程度圆柱体附近气流y方向速度分布发生明显变化，可见当圆柱体附近气流来流速度增大到一定值时流动状态会发生明显改变。再将来流速度增大时，速度分布状态并没有发生大的变化。当来流速度变化时，来流速度越大，z方向速度差越大，來流速度的增加造成速度脉动增大，从而会增大圆柱体能耗。

从图4中可以看出计算所得速度剖面在对数律区与对数律拟合曲线符合较好，从图4所示边界层分布特点（存在缓冲层、对数律区）看，在圆柱体壁面附近存在一定程度湍流流动。而且如图3所示边界层很薄，速度梯度很大，来流速度较大时，这一区域应该存在很强的湍流脉动，在计算圆柱体能耗时应该考虑湍流脉动引起的能耗。

3 结论

1）来流速度增加到一定程度圆柱体附近气流y方向速度分布发生明显变化，当圆柱体附近气流来流速度增大到一定值时流动状态会发生明显改变。

2）当来流速度变化时，来流速度越大，z方向速度差越大，来流速度的增加造成速度脉动增大，从而会增大圆柱体能耗。

3）在圆柱体壁面附近存在一定程度湍流流动。而且边界层很薄，速度梯度很大，应该存在很强的湍流脉动，在计算圆柱体能耗时应该考虑湍流脉动引起的能耗。

【参考文献】

[1]赵君.壁湍流相干结构雷诺应力的涡粘性本构关系与控制[D].天津：天津大学硕士论文，2008：100-101.

[2]H.欧特尔.普朗特流体力学基础[M].北京：科学出版社，2008：227-306.

[3]John D.Anderson.计算流体力学基础[M].北京：机械工业出版社.2009：100-300.