Euler方程超声速圆柱绕流数值模拟(2)
4 位置改变对绕流过程的影响研究 25
4.1 计算模型 25
4.2 结果分析 26
5 大小改变对绕流过程的影响研究 36
5.1 计算模型 36
5.2 结果分析 37
结 论 48
致 谢 49
参考文献50
1 绪论
1.1 选题背景和意义
绕流现象在现实问题中普遍存在，涵盖包括化工，国防，数学等众多领域，研究此类问题有着很深远的实践意义。首先，当流体流过各种结构体（如圆柱）时会有分离现象，此时会对该结构体产生持续的作用力，而且在结构体的尾迹区域会产生漩涡脱落的现象，特别是当结构体尾迹区域两侧交替产生的漩涡周期性脱落，此时会对该结构体产生与来流方向垂直的作用力，且这个力具有周期性。持续的流体力作用会让结构体疲劳，同时因为振动还会产生噪声，严重时会产生不可预想的后果。反之，结构体也会反过来影响流场的分布。高度发展的城市化潮流中，城市规划与建筑设计方面的技术必然是潮流所向，由于城市建筑物日趋高层且密集，这样就会产生“城市街区峡谷”，并且由此产生“城市急流”，引发严重的环境危害。比如说在已经建成的街区出现了风口，抑或是局部的风速过大，可能会影响到行人甚至是建筑物。风速和风向双重的改变会导致在有类似火灾等的紧急情况发生之时产生烟道效应，加速灾难的扩大，使损失更加惨重，同时局部街区还有可能出现流动迟滞的现象，造成不可预想的空气污染。
圆柱绕流是流体力学中的一个经典问题，流体绕着圆柱流动时，流速沿程会增加，压强沿程会减小，此时粘性力的作用会在柱体边缘形成附面层的分离，这就是我们所说的圆柱绕流。水流经过柱体时，其绕物体流动会引起压力差，这个压力差产生了对物体的作用力。从力学角度来看液体在所绕流物体上作用的力可分为作用方向在物体表面的切应力和法向的动水压强两种。其中液体作用在表面的摩擦力在水流面的投影就是摩擦阻力，由于物体尾部会发生漩涡，以致于作用在物体的压强分布并不对称，这就导致了在水流的方向有压力差形成，这个压差就是漩涡阻力。而因为此圆柱的存在，会在其迎水面造成壅水现象，与此同时也会增加在圆柱上的受力，使得圆柱绕流问题变得十分繁琐复杂。目前相关理论研究成果乏善可陈，故对圆柱绕流问题研究具有非常重要的理论意义。而与此相辅的，比如水流与桥梁、海底运输管道、码头、塔建筑、高压电缆等都有重要的工程应用背景。所以说对圆柱绕流进行的研究，了解其动力学规律，不但有理论价值，也有实际的社会效益。
对于圆柱绕流的研究方法有：简单的理论分析和数值计算，通过实验来研究圆柱绕流的现象。但因为相关理论的不完善，以及数学方法的限制，无法直接求解较复杂现象所对应的解析解。实验却需要花费大量的人力物力财力，测量设备也无法精确的捕捉到具体的现象。随着计算机的不断更新换代，配合CFD数值技术的发展，数值模拟方法已逐渐取代上两种研究方法，且数值计算的精度也很高，对于复杂现象的捕捉也很准确。
1.2 国内外研究现状
1.3 本文的主要内容
本课题主要是基于欧拉方程，研究圆柱绕流问题中，圆柱参数变化，圆柱个数变化以及圆柱位置变化对超声速流场的影响，并通过数值仿真模拟超声速流动情况下，圆柱绕流激波结构，提供描述圆柱绕流过程各流场参数变化情况的相关数据与图表，从而进一步讨论超声速情况圆柱绕流流场的稳定性问题。通过讨论不同情况下流场结构，得出超声速圆柱绕流的稳定条件。
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