基于格点Boltzmann方法的方排矩形柱周围流动状态转变分析

《Scientific Reports》：Lattice Boltzmann method based analysis of flow regime transitions around inline rectangular cylinders

　　

摘要

本研究采用格子玻尔兹曼方法（LBM）对串列布置的两个矩形圆柱体周围的不可压缩二维层流进行了数值模拟。在雷诺数Re = 200的条件下，通过改变圆柱体之间的间隙比（G），研究范围覆盖0 ≤ G ≤ 10。两个圆柱体的纵横比（AR）固定为3:2。研究系统分析了圆柱体间距对尾流发展、涡旋形成、压力分布及流线拓扑的影响。计算揭示了若干显著流动状态，包括单一细长体、交替再附着流动、间歇脱落以及二元涡街。升力系数（CL）的功率谱显示，在不同流动状态下，两个圆柱体的升力频率均发生变化。施柳哈尔数（St）随间隙间距的增加而增大，这与从圆柱体分离的剪切层发生明显弯曲有关。由于剪切层的分离与再附着不规则，压力分布呈现非均匀性。研究发现G = 2、3和9为关键间隙间距值，在这些位置尾流模式和压力分布发生突变，流体力参数在此处出现局部极大值、极小值或突然的极端跳变。在G = 0至3的范围内，第二个圆柱体受到净反向阻力，而第一个圆柱体在所有G值下均表现出正的平均阻力。研究结果表明，与方形对应体相比，这些矩形形状在流动结构和力波动方面经历了显著变化。