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研究生: 蔡承運
Tsai, Cheng-Yun
論文名稱: 數值模擬具有不同圓頂蓋尺寸的有限長圓柱之周邊流場
Numerical simulation study on the flow past a finite cylinder having a circular cover cap of different sizes
指導教授: 林怡均
Yi-Jiun Lin
口試委員: 朱佳仁
陳明志
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 195
中文關鍵詞: 總阻力係數壓力阻力係數摩擦阻力係數尾流
外文關鍵詞: Total drag coefficient, Friction drag coefficient, Pressure drag coefficient, Wake
相關次數: 點閱:214下載:4
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  • 本研究使用數值計算軟體模擬有限長圓柱具有兩個不同圓頂蓋的周邊壓力場與速度場, 分別觀察與比較圓柱頂端設置1D與2D圓蓋, 雷諾數 ($Re_{D}$) 為250, 560, 1080的結果。
    本研究設置圓頂蓋圓心的位置為座標原點, 討論流場在橫截面 (Y-Z 平面) 與垂直剖面 (X-Y平面) 的結果。
    圓柱壁面的壓力分布結果顯示, 圓柱前端 (X/D = -0.03) 受到顯著的三維流動影響, 正壓與負壓的最大絕對值都小於圓柱中段 (X/D = -1, -2, -6, -10) 的模擬結果; 圓柱底部 (X/D= -24) 則是明顯地受到壁面邊界層的影響, 正壓與負壓的最大絕對值比圓柱前端的結果更小。
    在圓柱前端與中段, 圓柱周邊的局部摩擦係數皆隨著雷諾數增加而變小; 在圓柱前端, 具 2D 圓頂蓋圓柱的周邊局部摩擦係數對應入流角度比具 1D 圓頂蓋圓柱的數值結果有更顯著的波動表現。
    壓力計算結果顯示, 圓柱底部的壓力阻力係數小於圓柱前端與中段的數值。
    剪應力的積分結果顯示, 圓柱底部接近壁面的部位與具 2D 圓頂蓋圓柱前端的摩擦阻力係數都小於具 1D 圓頂蓋圓柱前端的數值。
    總阻力係數成份包括摩擦阻力係數與壓力阻力係數, 具 2D 圓頂蓋圓柱前端的總阻力係數明顯地小於 1D 圓頂蓋圓柱前端的數值。
    圓柱中段的總阻力係數模擬結果印證過去學者的實驗結果(ReD = 250, CD≈1.29; ReD= 560, CD≈1.15; ReD = 1080,CD≈1)。
    模擬在圓頂蓋面上的速度結果顯示, 隨著雷諾數增加, 邊界層的厚度相對地變小, 且在雷諾數為 1080 時有迴流泡的產生。
    比較過去 PIV 實驗量測結果與本研究的數值模擬結果顯示, 在垂直觀測剖面 (Z/D = 0) 上, 隨著圓頂蓋尺寸增大, 來自圓頂蓋的下洗流逐漸遠離圓柱; 在橫截觀測面 (X/D = -1.5, -5.5, -10.5) 上, 尾流區域形成一對反向旋轉且對稱的渦流。


    In the study, the Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical software is used to simulate the pressure and velocity fields around a finite cylinder having a circular cover cap of two different sizes.
    The top of the cylinder has a 1D or 2D cap, and Reynolds numbers ($Re_{D}$) are 250, 560 and 1080, respectively.
    In the study, the center of the cap is set as the origin of the coordinates, and the results on the cross section (Y-Z plane) and the vertical cut section (X-Y plane) are discussed respectively.
    The pressure distribution results on the cylinder wall surface show that the section near the free end of the cylinder (X/D = -0.03) is affected by the three-dimensional flow, and the absolute values of both the maximum positive pressure coefficient and negative pressure coefficient are smaller than the results at the middle sections of the cylinder (X/D = -1, -2, -6, - 10).
    The section near the base of the cylinder is significantly affected by the wall boundary layer, and the absolute values of the maximum positive pressure coefficient and negative pressure coefficient are even smaller than the results of the section near the free end of the cylinder.
    The local friction coefficient around the cylinder surface becomes smaller when the Reynolds number increases in the section near the free end and the middle section;
    in the section near the free end of the cylinder, the local friction coefficient against the incident flow angle of the cylinder with a 2D cap fluctuates more significantly than that of the cylinder with a 1D cap.
    The pressure drag coefficient near the base section is smaller than those of the free end and middle sections.
    The integrated shear stress results show that the friction drag coefficient near the free end section of the cylinder with a 2D cap is smaller than that of the cylinder with the 1D cap.
    The total drag coefficient is comprised of the friction drag coefficient and the pressure drag coefficient, and the total drag coefficient near the free end section of the cylinder with the 2D cap is significantly smaller than that of the cylinder with 1D cap.
    The simulated total drag coefficient at the middle section of the cylinder confirms the experimental results of the previous studies (ReD = 250, CD≈1.29; ReD= 560, CD≈1.15; ReD = 1080, CD≈1).
    The simulated results of the velocity fields around the circular cover cap show that when the Reynolds number increases, the boundary layer thickness on the cap decreases, and the recirculation bubble appears when the Reynolds number reaches 1080.
    Comparisons between the numerical simulation results and the previous PIV results show that when the cap size increases, the downwash flow from the free end becomes away from the cylinder on the observed X-Y plane (Z/D = 0), and a pair of symmetrical and counter-rotating vortexes form in the wake region on the observed Y-Z plane (X/D = -1.5, -5.5, -10.5).

    目錄 中文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i 英文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii 致謝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v 目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v 符號索引 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 表目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi 圖目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii 1 緒論 1 1.1 研究動機與目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 專有名詞定義 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.1 展弦比 (Aspect Ratio, AR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.2 雷諾數 (Reynolds number, ReD) . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.3 壓力係數 (Pressure coefficient, CP ) . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.4 局部摩擦係數 (Local friction Coefficient, Cf ) . . . . . . . . . 6 1.3.5 邊界層厚度 (boundary layer thickness, δ) . . . . . . . . . . . 6 1.4 總阻力(Total drag, FD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4.1 總阻力係數 (Total drag coefficient, CD) . . . . . . . . . . . . 7 1.4.2 壓力阻力 (Pressure Drag , Dp ) . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4.3 壓力阻力係數 (Pressure Drag Coefficient, CDp) . . . . . . . . 8 1.4.4 摩擦阻力 (Friction Coefficient, Df ) . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.5 摩擦阻力係數 (Friction Drag Coefficient, CDf ) . . . . . . . . 9 1.5 論文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 數值模擬介紹與方法 11 2.1 數值模擬方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.1 數值模擬軟體 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 數值模擬模型與計算方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 數值模擬設置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 建立模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 自由流速設置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.3 有限長圓柱與圓頂蓋設置與二維圓柱設置 . . . . . . . . . . . 16 2.2.4 網格設置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.5 網格獨立性測試 (grid independent test) . . . . . . . . . . . . 19 2.2.6 數值模擬收斂結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.7 模擬座標與實驗座標的轉換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3 數值模擬結果 21 3.1 有限長圓柱在不同雷諾數下的阻力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.1 圓柱壁面壓力分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.2 不同雷諾數下的壓力分佈 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.3 圓柱壁面剪應力分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.4 圓柱壁面阻力分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 圓柱附近的流體壓力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3 圓頂蓋面的壓力與速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4 數值模擬與實驗比較尾流區的平均速度場 . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4.1 X-Y平面平均速度結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4.2 Y-Z平面平均速度結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.5 數值模擬與實驗比較尾流區的渦度場 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5.1 X-Y平面渦度場 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5.2 Y-Z平面渦度場 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.6 二維圓柱模擬結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4 結論與建議 41 4.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 建議與未來工作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    參考文獻
    [1] Park, C. W. & Lee, S. J. 2004. Effects of free-end corner shape on flow structure
    around a finite cylinder. Journal of Fluids and Structures, 19, 141-158.
    [2] Sumner, D. 2013. Flow above the free end of a surface-mounted finite-height
    circular cylinder: a review. Journal of Fluids and Structures, 43, 41-63.
    [3] Adaramola, M. S., Akinlade, O. G., Sumner, D., Bergstrom, D. J. & Schenstead,
    A. J. 2006. Turbulent wake of a finite circular cylinder of small aspect
    ratio. Journal of Fluids and Structures, 22, 919-928.
    [4] Hain, R., K¨ahler, C. J. & Michaelis, D. 2008. Tomographic and time resolved
    PIV measurements on a finite cylinder mounted on a flat plate. Experiments
    in fluids, 45, 715-724.
    [5] Rostamy, N., Sumner, D., Bergstrom, D. J. & Bugg, J. D. 2012. Local flow
    field of a surface-mounted finite circular cylinder. Journal of Fluids and Structures,
    34, 105-122.
    [6] Zdravkovich, M. M. 1997. Flow around circular cylinders; vol. i fundamentals.
    Journal of Fluid Mechanics, 350(1), 377-378.
    [7] Thom, A. 1928. An investigation of fluid flow in two dimensions. (British)
    Aeronautical Research Council, Rep. & Memo. 1194.
    [8] Thom, A. 1933. The flow past circular cylinders at low speeds. Proceedings of
    the Royal Society, A141, 651-69.
    [9] Lienhard, J. H. 1966. Synopsis of lift, drag, and vortex frequency data for rigid
    circular cylinders. Technical Extension Service, Washington State University.
    [10] White, F. M., Corfield, I. 2006. Viscous fluid flow (Vol. 3). New York:
    McGraw-Hill.
    [11] Anderson Jr, J. D. 2010. Fundamentals of aerodynamics. Tata McGraw-Hill
    Education.
    [12] Munson, B. R., Okiishi, T. H., Rothmayer, A. P., Huebsch, W. W. 2014.
    Fundamentals of fluid mechanics. John Wiley Sons.
    [13] Sumner, D., Rostamy, N., Bergstrom, D. J., Bugg, J. D. 2015. Influence
    of aspect ratio on the flow above the free end of a surface-mounted finite
    cylinder. International Journal of Heat and Fluid Flow, 56, 290-304.
    [14] White, F. M. 2017. Fluid Mechanics Fourth Edition.
    [15] 藍章榮, 2014, 垂直不可壓縮流經過頂端具有圓蓋之有限長水平圓柱的實驗研究,
    國立台灣科技大學碩士論文。
    [16] 張格綸, 2016, 實驗研究流經壁掛式有限長圓柱具不同尺寸圓蓋的流場, 國立台灣
    科技大學碩士論文。
    [17] 陳心柏, 2017, 分析有限長圓柱尾流速度的實驗資料與數值模擬結果, 國立台灣科
    技大學碩士論文。

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