直径变化对三圆柱绕流的影响

    1 引言

    钝体绕流普遍存在于海洋、桥梁、建筑以及航空航天等领域中。对于高层建筑、海洋平台、高架桥、水下管道、动力设备中的管网和原子能反应堆中的换热器等，当流体以一定的速度绕过这些钝体时会在钝体后形成规则的旋涡脱落。若旋涡脱落的频率与钝体的固有振动频率相近时，就会使钝体产生共振，导致钝体的破坏。实际存在的钝体大都是以柱群的形式存在的。关于流体绕经单圆柱的流动问题已有许多学者进行了研究，Zdravkovich[1]于1997 年出版的论著对此进行了全面的综述。双圆柱绕流问题无论是串列、并列和错列也都有许多作者进行了研究[2]。本文将对于以不同形式存在的三圆柱柱群进行研究。

    国内外对等边三圆柱绕流的研究主要集中在实验方面，文献[3-5]通过实验测量了在不同间隔比和不同风向角下圆柱表面的平均压力分布；文献[6,7]则研究了三个圆柱在不同间隔比下旋涡脱落频率以及流场干扰模式，它们都是通过流动显示技术进行研究的；Pouryoussefi等[8]通过风洞实验研究了Re   1.2×10⁴～6.08×10⁴时等边放置的等直径三圆柱的升阻力系数值及St 数。等直径等边放置的三圆柱绕流数值模拟也有不少学者进行了研究。张爱社等[9]采用有限元方法对等边布置的等直径三圆柱二维绕流做了数值模拟，通过对不同间距比下流场、各圆柱的升阻力系数以及St 数的分析，得出当三圆柱以正品字形放置时，间隔比小于临界值时会出现偏流现象的结论。Bao等[10]采用分裂有元方法数值模拟了不同 Re数、不同间隔比以及不同风向角情况下等边放置的三个等直径圆柱的绕流。

    上述研究都集中在等边放置的等直径三圆柱绕流，它们都是以品字形放置的圆柱为基础，通过绕其中心旋转得到不同的摆放方式，而没有对不同直径情况以及三圆柱以不同方式放置的情况进行研究。不同直径三圆柱的绕流问题一般归属于流动的控制问题。在实验方面，张洪军等[11]实验研究了在 Re   5900 时，与主圆柱平行放置于并列双圆柱下游距离中心线 L   0 ~ 2D的小圆柱对主圆柱的控制。通过对测得的速度及压力分布分析得出：当L / D   0.5时，小圆柱对旋涡脱落和流场的控制作用非常明显；当 L / D   1.0时，小圆柱不能抑制宽窄流的出现。在数值研究方面，苏中地[12]通过实验和数值模拟的方法研究了置于并列双圆柱下游中心线上的小圆柱对并列双圆柱的涡脱落的控制，结果发现：在 Re   200 时，对于 T /D   1.5 的情况，小圆柱在 L / D   0 ~ 2（其中 L 为小圆柱与主圆柱的水平中心距）范围内对主圆柱的旋涡脱落有很好的抑制作用；对于 T /D   2.0 的情况，小圆柱在L / D   1 ~ 3范围内对主圆柱的涡脱落有很好的抑制作用。Kuo 等[13数值模拟了低 Re下，置于大圆柱后的两个控制小圆柱对大圆柱尾流的影响，主要研究不同放置方式下升阻力系数和St 数。