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## 留言板 引用本文: 徐一航, 陈少松. 旋转圆柱绕流流场特性分析. 力学学报, 2021, 53(7): 1973-1984 Xu Yihang, Chen Shaosong. Analysis of flow characteristics around a rotating cylinder. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2021, 53(7): 1973-1984 doi: 10.6052/0459-1879-21-153
 Citation: Xu Yihang, Chen Shaosong. Analysis of flow characteristics around a rotating cylinder. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2021, 53(7): 1973-1984 ## 旋转圆柱绕流流场特性分析

##### doi: 10.6052/0459-1879-21-153

###### 通讯作者: 陈少松
• 中图分类号: O357.5

## ANALYSIS OF FLOW CHARACTERISTICS AROUND A ROTATING CYLINDER

• 摘要: 对雷诺数Re = 20000 ~ 90000、相对转速ɑ = 0 ~ 0.72的旋转圆柱后方流场进行了实验测量, 分析了旋转圆柱后方不同剖面处的速度分布规律和湍流度分布规律. 采用LES方法对旋转圆柱绕流问题进行了数值模拟, 分析旋转圆柱周围流场特性和自由剪切层变化规律, 最后通过理论模型对流场变化进行分析, 得出如下结论: 当圆柱逆时针旋转时, 同一雷诺数下随着相对转速的增加, 旋转圆柱尾迹区域下方速度突变处的位置随着相对转速的增加而上移, 而上方速度突变处的位置不变, 雷诺数的增加使旋转圆柱尾迹区域下方速度突变处位置有小幅度的下移. 通过数值模拟发现, 圆柱旋转之后, 圆柱后方下侧涡的位置明显上移, 且幅度较大. 下方的自由剪切层有明显的上移, 上方的自由剪切层位置变化较小. 最后通过理论分析发现, 圆柱后侧下方涡位置的上移对圆柱升力影响十分显著, 在高雷诺数、低相对转速的条件下, 旋转圆柱后侧下方涡位置的改变对旋转圆柱的升力、尾流区自由剪切层的变化起到了重要的影响.

• 图  1  实验装置图

Figure  1.  Experimental device

图  2  旋转圆柱测量示意图

Figure  2.  Schematic diagram of measuring a rotating cylinder

图  3  Re = 20000时旋转圆柱后方4个剖面无量纲时均速度分布

Figure  3.  Dimensionless time averaged velocity distribution of four sections behind the rotating cylinder when Re = 20000

图  4  Re = 60000时旋转圆柱后方4个剖面无量纲时均速度分布

Figure  4.  Dimensionless time averaged velocity distribution of four sections behind the rotating cylinder when Re = 60000

图  5  ɑ = 0.2时旋转圆柱后方4个剖面无量纲时均速度分布

Figure  5.  Dimensionless time averaged velocity distribution of four sections behind the rotating cylinder when ɑ = 0.2

图  6  ɑ = 0.4时旋转圆柱后方4个剖面无量纲时均速度分布

Figure  6.  Dimensionless time averaged velocity distribution of four sections behind the rotating cylinder when ɑ = 0.4

图  7  Re = 20000时旋转圆柱后方4个剖面湍流强度

Figure  7.  Turbulence intensity distribution of four sections behind the rotating cylinder when Re = 20000

图  8  ɑ = 0.4时旋转圆柱后方4个剖面湍流强度

Figure  8.  Turbulence intensity distribution of four sections behind the rotating cylinder when ɑ = 0.4

图  9  (a) Re = 20000和(b) ɑ = 0.4时旋转圆柱后方上、下轮廓线湍流强度分布

Figure  9.  Turbulence intensity distribution of upper and lower contour behind the rotating cylinder when (a) Re = 20000 and (b) ɑ = 0.4

图  10  流动示意图

Figure  10.  Schematic diagram

图  11  网格示意图

Figure  11.  Grid diagram

图  12  Re = 60000, x/D = 1时不同亚格子模型计算结果对比图

Figure  12.  Calculation results of different subgrid model when Re = 60000 and x/D = 1

图  13  Re = 60000, x/D = 3时两种亚格子模型计算结果对比图

Figure  13.  Calculation results of different Subgrid Model when Re = 60000 and x/D = 3

图  14  Re = 20000, ɑ = 0时圆柱后方涡量图

Figure  14.  Vorticity diagram behind cylinder at Re = 20000, ɑ = 0

图  15  Re = 20000, ɑ = 0.72时圆柱后方涡量图

Figure  15.  Vorticity diagram behind cylinder at Re = 20000, ɑ = 0.72

图  16  Re = 20000, ɑ = 0时圆柱后方烟流图

Figure  16.  Smoke plume behind cylinder at Re = 20000, ɑ = 0

图  17  Re = 20000, ɑ = 0.78时圆柱后方烟流图

Figure  17.  Smoke plume behind cylinder at Re = 20000, ɑ = 0.78

图  18  Re = 20000, ɑ = 0.72时速度矢量图

Figure  18.  Velocity vector diagram at Re = 20000, ɑ = 0.72

图  19  ɑ = 0.4时不同雷诺数下圆柱表面(a)时均压力系数和(b)时均摩擦力系数分布

Figure  19.  Distribution of (a) the average pressure coefficient and (b) the average wall shear stress coefficient on the cylinder surface under different Reynolds numbers when ɑ = 0.4

图  20  单涡列

Figure  20.  Single vortex column

图  21  带有两个平行点涡列的有环量圆柱绕流

Figure  21.  Circular cylinder with two parallel vortex column

图  22  Re = 20000时旋转圆柱后方x/D = 1处理论模型与实验结果对比

Figure  22.  Comparison of theoretical and experimental results at x/D = 1 behind a rotating cylinder when Re = 20000

图  23  ɑ = 0.2时旋转圆柱后方x/D = 1处理论模型与实验结果对比

Figure  23.  Comparison of theoretical and experimental results at x/D = 1 behind a rotating cylinder when ɑ = 0.2

图  24  ɑ = 0.4时理论模型和LES升力计算结果对比

Figure  24.  Comparison between theoretical and LES lift calculation results when ɑ = 0.4

图  25  涡位置灵敏度分析

Figure  25.  Sensitivity analysis of vortex position

表  1  实验工况

Table  1.   Experiment cases

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##### 出版历程
• 收稿日期:  2021-04-14
• 录用日期:  2021-05-13
• 网络出版日期:  2021-05-13

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