بررسی تجربی و عددی جریان پیرامون دو استوانه با مقطع مربعی در آرایش اریب

STUDENT

DEGREE

YEAR

. Both numerical and experimental investigations are carried out to understand the behavior of different flow structures around two finite surface-mounted square cylinders with aspect ratio of 7 in staggered arrangement. The square cylinders are located on a line with a staggered angle of a=45° to the oncoming velocity. In this work, firstly, the laminar 2D flow around two infinite staggered square cylinders was numerically investigated in a low Reynolds number (Re=150) for different gap spacing between the cylinders 0.1£G * £6. Based on this part of investigation, it was found that the dominant frequency is an important tool to identify the different flow regimes. These regimes was denoted in this study as single body, periodic gap flow, aperiodic, modulated periodic and synchronized vortex shedding regimes. In the second part of numerical study, large eddy simulations were employed in a high Reynolds number (Re=22000) to simulate the turbulent flow around two staggered 3D surface-mounted square cylinders. Three different flow regimes were identified in this case including single body, modulated periodic and synchronized vortex shedding regimes. Using the experimental facilities at Isfahan University of Technology, some experiments including smoke flow visualization, surface pressure measurements and hot-wire anemometry are carried out and their results are analyzed and compared with the current numerical data. For the smoke flow visualization tests, the flow characteristics around two infinite staggered square cylinders at a=45° was investigated for different gap distances between cylinders at Re=750. Furthermore, for the hot-wire anemometry tests, the flow field around 3D geometry at Re=22000 was investigated. Finally, for the pressure tests, the effect of the flow around 3D geometry on the pressure field on the surfaces of cylinders was studied for different gap distances at Re=60000. Based on the smoke visualization tests, three distinct flow regimes were recognized: i.e. single body, periodic gap flow and modulated periodic flow regime. In addition, two flow regimes were detected for the pressure tests: single body and modulated periodic flow regimes. Finally, for the hot-wire tests, three various flow regimes were observed including single body, modulated periodic and synchronized vortex shedding regimes. The various features of different flow regimes in the experimental studies of the pressure measurements and the hot-wire anemometry have been found to be qualitatively compatible with those of large eddy simulations. Qualitatively, some similarities have been observed in the flow pattern and other results between 2D and 3D geometries of the present research, although there are significant differences between quantitative results is some cases. Key Words: flow around cylinders; vortex shedding; staggered configuration; numerical methods; large eddy simulation; experimental methods; wind and smoke tunnel; hot-wire

جریان پیرامون استوانه‌ها در بسیاری از کاربرد‌های مهندسی در رژیم‌های مختلف جریان شامل جریان آرام مانند جریان سیالات با لزجت بالا پیرامون سنسور‌های اندازه‌گیری در صنایع پتروشیمی تا جریان کاملاً آشفته در وزش باد پیرامون ساختمان‌ها و قطعات الکترونیکی مشاهده می‌شود. در جریان اطراف تک استوانه‌ی سه بعدی واقع بر سطح، تاثیرات توام گردابه‌های کارمن، گردابه‌های نوک، گردابه‌های پایه و گردابه‌های نعل اسبی مطرح است و با قرار دادن یک استوانه‌ی دیگر در کنار آن، پیچیدگی جریان به ویژه در جریان آشفته زیادتر می‌ شود. جفت استوانه‌ها نسبت به هم در سه حالت پشت سرهم، کنار هم و یا اریب می‌توانند قرار بگیرند که آرایش اریب عمومی‌ترین حالت قرارگیری استوانه‌ها می‌باشد. هدف از انجام این پژوهش، تحلیل پدیده‌های فیزیکی در جریان اطراف دو استوانه‌ با مقاطع مربعی و ارتفاع محدود در آرایش اریب به صورت تجربی و عددی می‌باشد. به‌ منظور کاهش پیچیدگی‌های جریان ابتدا مشخصه‌های جریان آرام اطراف استوانه‌های مربعی دو بعدی در آرایش اریب با زاویه‌ی اریب a=45° (هندسه‌ی اول) در یک عدد رینولدز پایین (Re=150) برای فواصل بین دو استوانه‌ی مختلف به صورت عددی بررسی شد. در بخش عددی دوبعدی، پس از بررسی پارامترهای مختلف جریان، رفتار فرکانس‌های غالب جریان به‌عنوان یک ابزار جهت تشخیص رژیم‌های مختلف جریان انتخاب و رژیم‌های مختلف جریان با توجه به آن نامگذاری شد و از آن جهت تشخیص رژیم‌های مختلف جریان عددی و تجربی در مطالعه‌ی حاضر استفاده شد. در بخش عددی دو بعدی الگوهای مختلف جریان در پنج رژیم مختلف طبقه‌بندی شد. این رژیم‌ها عبارتند از: رژیم جریان تک جسم، رژیم جریان شکافی متناوب، رژیم جریان غیرتناوبی، رژیم جریان متناوب مدوله‌شده و رژیم جریان همگام. در بخش دیگری از رساله، جریان آشفته اطراف دو استوانه‌ی مربعی سه بعدی واقع بر کف با نسبت منظری 7 در آرایش اریب با زاویه‌ی اریب a=45° (هندسه‌ی دوم) در عدد رینولدز بالا (Re=22000) به‌روش شبیه‌سازی ادی‌های بزرگ بررسی گردید و با استفاده از نتایج آن، سه رژیم جریان تک جسم، رژیم جریان متناوب مدوله شده و رژیم ریزش گردابه‌ی همگام در این هندسه‌ی سه بعدی شناسایی شد. جهت ارزیابی نتایج عددی، با استفاده از امکانات آزمایشگاهی موجود در دانشگاه صنعتی اصفهان، نتایج آزمایش‌های تجربی مختلف شامل آشکارسازی جریان به‌کمک دود، سنجش فشار روی سطوح استوانه و جریان‌سنجی سیم داغ با نتایج عددی مقایسه شد. در آزمایش آشکارسازی جریان به‌کمک دود، مشخصات جریان اطراف دو استوانه‌ی مربعی در آرایش اریب با a=45° (مشابه هندسه اول) برای فواصل مختلف بین دو استوانه در عدد رینولدر 750 بررسی شد. همچنین، در آزمایش جریان‌سنجی سیم داغ، مشخصه‌های میدان جریان اطراف هندسه‌ی سه بعدی در عدد رینولدز22000 بررسی شد. در نهایت در آزمایش سنجش فشار روی سطوح استوانه، اثرات جریان اطراف هندسه‌ی سه بعدی بر میدان فشار روی سطوح استوانه‌ها در عدد رینولدز 60000 برای فواصل مختلف دو استوانه مورد بررسی قرار گرفت. در آزمایش آشکارسازی جریان به کمک دود سه رژیم جریان تک جسم، رژیم جریان شکافی متناوب و رژیم جریان متناوب مدوله شده مشاهده شد. همچنین، در آزمایش سنجش فشار روی سطوح استوانه، دو رژیم جریان تک جسم و رژیم جریان متناوب مدوله شده تشخیص داده شد. درنهایت، در آزمایش جریان‌سنج سیم داغ، سه رژیم جریان تک جسم، رژیم جریان متناوب مدوله شده و رژیم ریزش گردابه‌ی همگام مشاهده شد. از لحاظ کیفی ویژگی‌های رژیم‌های جریان مختلف در بررسی‌های تجربی سنجش فشار روی سطوح استوانه‌ی سه بعدی و جریان‌سنجی سیم داغ با نتایج عددی شبیه‌سازی ادی بزرگ تطابق قابل قبولی دارند. بصورت کیفی، شباهت هایی مابین الگوهای جریان و سایر نتایج در هندسه های دو بعدی و سه بعدی این پژوهش مشاهده شد هرچند که تفاوت های اساسی بین نتایج کمی و رفتار آن‌ها در مواردی وجود دارد. کلمات کلیدی: 1- جریان پیرامون استوانه‌ها 2- ریزش گردابه 3- آرایش اریب 4- روش عددی 5- روش شبیه سازی ادی بزرگ 6- روش تجربی 7- تونل باد و دود 8- سیم داغ