有限圓柱旋轉時之馬格努斯效應

Abstract

" 本研究在探討有限長度圓柱繞流的Magnus效應，運用長寬比 (AR)為2到10、轉速比(α)為0到7，在各雷諾數(Re)從10到1000之間，分析圓柱所受到的升力、阻力以及流線分布，整理出之間的趨勢關聯性，並以物理現象去描述解釋。 本研究使用一般商業軟體Ansys Fluent CFD，模擬設想是以甘油為低Re工作流體，圓柱採用雙邊自由端(兩側皆無固定端)。 選擇在雷諾數10到1000的層流，其中低雷諾數在三維流場中，流經圓柱的流體分離可以分為橫向流場分離(transverse flow separation, TFS)與縱向流場分離(longitudinal flow separation, LFS)，前此研究，發現圓柱在靜止不旋轉時: (a)在雷諾數介於50到120之間之定常流在圓柱中間橫截面的流線會有一類源點(source-like point)，是因為不同AR會造成兩側流場的分歧匯集能力變動、TFS和LFS相互抗衡，原本封閉渦旋被拉扯而改變路線，形成流線從源點散開的景象；且升力係數會隨著Re增加而單調上升，而阻力係數亦然。 (b)低雷諾數下當圓柱轉速增加時，流體因受環流渦度而改變流線，先前的類源點逐漸消失，取而代之的是渦旋，並有數個鞍點的出現。(i)阻力係數CD在低轉速比時是低AR的短圓柱較大，接著會出現交錯反轉情形。(ii)而升力係數CL在圓柱低速旋轉時，所有長寬比AR的圓柱有接近的值，並隨轉速線性上升。然而隨AR遞增依序會到達一穩定值後停止上升。從升力阻力比(CL/CD)的結果可以發現在高轉速長圓柱有最佳值，且必須在轉速比介於1到2之間，可以說產生升力的效果最好。超過該轉速區間後升阻比即開始下降。 "