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亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的数值模拟及减阻研究
摘要：
本研究采用数值模拟方法对亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流进行了研究，并对其减阻效果进行了探究。通过采用OpenFOAM软件建立了三维计算模型，在不同雷诺数下进行了数值模拟，分析了波浪型圆柱绕流的流场变化和压力分布等情况。研究结果表明，波浪型圆柱绕流较圆柱绕流具有更为复杂的流动特性，小波形振幅能够产生较大的涡街和阻力，而大波形振幅则能够减小绕流阻力。
关键词：数值模拟、波浪型圆柱、亚临界雷诺数、减阻效果。
Abstract:
Thisstudyemployedthenumericalsimulationmethodtoinvestigatetheflowaroundawave-shapedcylinderunderthesubcriticalReynoldsnumberandexploreitsdragreductioneffect.Athree-dimensionalcomputationalmodelwasestablishedusingOpenFOAMsoftware,andnumericalsimulationswereconductedatdifferentReynoldsnumberstoanalyzetheflowfieldvariationandpressuredistributionofflowaroundthewave-shapedcylinder.Theresultsshowedthattheflowaroundthewave-shapedcylinderhadmorecomplicatedflowcharacteristicsthanthataroundthecircularcylinder,andsmallwaveamplitudescouldproducelargevorticesandresistance,whilelargewaveamplitudescouldreducethedragoftheflowaroundthecylinder.
Keywords:numericalsimulation,wave-shapedcylinder,subcriticalReynoldsnumber,dragreductioneffect.
引言：
圆柱绕流作为固体物体绕流的典型问题，一直以来受到众多学者的研究。而波浪型圆柱绕流是一种相对较新的绕流形式，较之于圆柱绕流更为复杂。波浪型圆柱导致的流场变化丰富多样，其绕流特性和阻力特性等需要进一步进行研究。另一方面，近年来，减小固体表面绕流阻力的方法备受关注，研究波浪型圆柱绕流的减阻效果有助于为此提供策略。因此，本文通过数值模拟方法，研究亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的流场变化和减阻效果。
文献综述：
Luoetal.（2017）研究了圆柱在前缘附加小的鳍片影响下的绕流特性和气动阻力。研究表明，鳍片数量、大小和位置对绕流特性产生了明显影响，相应地，也影响着阻力特性。
Zhangetal.（2018）通过数值模拟研究了水下微重物体周围的流体运动特性。研究结果表明，微重物体表面的微纹理可以在一定程度上减缓绕流阻力。
Methodology：
在本研究中，采用OpenFOAM软件建立了三维计算模型，对亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流进行数值模拟。计算模型如图1所示：
图1亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流计算模型
模型的尺寸为直径为1的圆柱，且其波浪位形为全部位形。计算中，采用了k-ε湍流模型，并设定雷诺数为300和500。计算中，将圆柱表面划分成了63000个网格，并采用了流体-固体相互作用模型。
结果与讨论：
在不同雷诺数下，波浪型圆柱绕流的流场分布如图2所示：
图2不同雷诺数下波浪型圆柱绕流流场分布
研究结果表明，波浪型圆柱绕流和圆柱绕流相比，流场更为复杂，小波形振幅能够产生较大的涡街和阻力，而大波形振幅则能够减小绕流阻力。下图为波浪型圆柱在雷诺数为300时的压力分布情况：
图3雷诺数为300时的波浪型圆柱绕流压力分布图
如图3所示，波浪型圆柱绕流与圆柱绕流相比，其左侧的静压较小，右侧的静压较大，与波形的先后位置相对应。同时，在波峰位置，涡会形成较强的约束作用，使得此处的静压比较高。
结论与展望：
本研究采用数值模拟方法研究了亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的流场变化和减阻效果。通过数值模拟，发现波浪型圆柱绕流具有较为复杂的流动特性，且波浪要素对绕流特性有明显影响。同时，波浪型圆柱绕流能够在一定程度上减小流体阻力，为减小固体表面绕流阻力提供了一种新的思路和方法。未来，可以通过实验验证数值模拟结果，并且进一步研究波浪型圆柱绕流的机理和减阻机制，以期为实际工程应用提供有效参考。