倾斜圆柱杆状颗粒与纤维上的流动结构及载荷

本文通过完全解析模拟,从蠕流条件到强惯性区,研究了固定有限长圆柱绕流,该圆柱轴线与来流方向成非零夹角。研究聚焦于物体长细比 $\chi$(定义为长径比)、相对于来流的倾角 $\theta$ 以及基于圆柱直径的雷诺数 $\text{Re}$ 如何影响绕物体流动结构,进而影响作用于其上的水动力载荷。首先考虑 $\theta=0^\circ$ 构型(圆柱与来流对齐),从蠕流条件到 $\text{Re}=400$,在 $\text{Re}\leq10$($\text{Re}\geq10$)时最长细比达 $20$($10$)。在低至中等雷诺数区($\text{Re}\lesssim5$),通过比较轴向与横向力分量及展向力矩的数值结果,与基于细长体近似(可能包含有限雷诺数修正)的理论预测,考察了长细比、倾角(从 $0^{\circ}$ 到 $30^{\circ}$)及惯性效应的影响。基于这些预测并融入从数值数据提取的有限长与惯性修正,推导了半经验模型。对于足够大的雷诺数($\text{Re}\gtrsim10^2$),分离发生于圆柱侧表面的上游部分,深刻影响表面应力分布。数值结果被用于建立力分量与力矩的经验模型,适用于任意长细比、中等倾斜($|\theta|\lesssim30^\circ$)且至 $\text{Re}\approx300$ 的圆柱,并与低至中等雷诺数下所得模型吻合。