为研究工程常见的超高雷诺数下矩形柱流场特性和气动特性,以常见的起重机单箱梁截面(梁高h=1m,雷诺数Re=6.85×10^5)为例,采用雷诺平均RANS Realizable k-ε方法,对中等湍流强度来流下矩形柱绕流进行数值模拟。首先进行网格无关性验证,然后选取宽高比为0.6、0.8、1.0、1.5、2.0共5组不同截面的矩形柱结构进行流场分析与研究。通过对比不同宽高比柱体截面周围的气动特性参数,以及尾流区的尾涡、回流参数等特征量表明:阻力系数、平均背压系数、升力系数均方根、斯托罗哈数等均随着宽高比增大而降低,尾涡宽度和距离随着宽高比增大而减小,回流长度和最大回流速度随宽高比增大而增大。同时,通过与相关雷诺数(Re=10^4~10^5)的风洞实验和仿真结果进行对比,发现其在数值上和参考值相差很小,说明高雷诺数对绕流参数的影响很小,可为相关工程设计提供参考。

文中基于流体计算软件Fluent,采用Realizable k-ε湍流模型,对高雷诺数(Re=6.8×105)下梯形柱的绕流特性进行数值模拟,通过对不同宽高比与不同偏角(迎风面与来流方向的夹角)的梯形柱进行流场分析与研究,获得不同结构特征参数下梯形柱的气动参数以及流场绕流特性。结果表明当偏角不变时,随着宽高比的增加,阻力系数、升力系数均方根逐渐减小,斯托罗哈数先增加后减小;当宽高比不变时,随着偏角的增加,阻力系数、升力系数均方根、斯托罗哈数逐渐增加。与同宽高比下的矩形柱相比,在宽高比R=0.5时梯形柱的阻力系数大于矩形柱,在宽高比R=0.6~1.0时矩形柱的阻力系数大于梯形柱。

为研究高雷诺数Re=19000下宽高比临界值R=0.62时矩形柱流场及气动特性,基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)方法,采用基于动态亚格子模型的大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)对均匀来流下绕流情况进行仿真计算。首先进行网格无关性验证,并针对基于时间积分的平均积分分量对比,验证了计算准确性;接着分析了矩形柱表面压力系数分布,及中心线速度分布,并在此基础上分析其气动特性;然后对柱体后不同位置速度及其脉动值分布进行尾流场特性分析;同时,还针对LES模型的二维和三维结果,进行对比分析,说明其在气动力和流场特性间的差异,并为工程应用和计算提供意见和参考。