一研究意义本文通过风洞试验和大涡模拟（LES）探究了在方柱不同角点处安装翼缘对其空气动力特性的影响并揭示其内在机理。研究对象包括普通方柱与三种类型的角点翼缘配置，即只安装前角翼缘、只安装后角翼缘以及同时安装前后角翼缘，如图

一

研究意义

本文通过风洞试验和大涡模拟（LES）探究了在方柱不同角点处安装翼缘对其空气动力特性的影响并揭示其内在机理。研究对象包括普通方柱与三种类型的角点翼缘配置，即只安装前角翼缘、只安装后角翼缘以及同时安装前后角翼缘，如图1所示。研究表明，翼缘对方柱空气动力特性具有很大影响，包括平均阻力系数、升力系数和方柱的旋涡脱落频率。不同翼缘配置影响效果的差异十分显著，前角翼缘和后角翼缘会产生相反效果。这些发现对减少此类结构空气阻力和风荷载引起的基础设施振动或者是加强基于风致振动的能量采集都具有重要的参考价值。

图1 四种不同翼缘工况配置下的方柱

二

研究内容

风洞试验

在截面尺寸为宽500mm×高380mm的直流式风洞中，对不设置角点翼缘、仅设置前角翼缘、仅设置后角翼缘以及前后角均设置翼缘四种工况的方柱分别进行测力试验，如图2所示。方柱宽度D=50.8mm，翼缘长度设置为D/6，翼缘与来流方向成45°。来流风速8m/s，雷诺数26900，湍流强度为1.5%，垂直作用于方柱迎风面。测力传感器采样频率为400Hz，采样时长为4000个漩涡脱落周期。

图2 风洞试验现场及其示意图

数值模拟

湍流模型采用三维大涡模拟（LES），亚格子尺度模型选用dynamic Smagorinsky-Lilly方法。压力速度耦合方程采用PISO方法进行求解，时间离散采用有界二阶隐式方案，压力的空间离散采用二阶方案，动量方程的空间离散采用有界中心差分法。时间步长选取2×10^-5s，保证全局CFL数小于1。对于所有的模拟，均采取超过1000个无量纲时间步数，相当于大约133个旋涡脱落周期，以确保可靠的结果。

方柱截面宽度D=24mm，展向高度为4D，方柱迎风面与来流入口距离为8D，侧面距侧边界均为5D，被封面与出口边界距离17D。入口边界设置为U=12m/s的均匀流，雷诺数为1.9×10^4。两侧边界条件定义为对称边界，底面和顶面设置为一对平移周期性边界条件，出口设置为零压边界条件。方柱表面采用无滑移壁面边界条件。

结果与讨论

图3为四种角点翼缘配置下的方柱跨中处环向平均压力系数的对比。设置前角翼缘可以减缓从迎风面滞点至角点的压力下降，并增大了侧面与背风面负压。设置后角翼缘可以降低两侧与背风面负压。前后均设置翼缘工况下，迎风面与仅设置前角翼缘工况相同，侧面和背风面介于普通工况与仅安装后角翼缘工况之间。图4为四种工况下试验值与模拟值的平均阻力系数、升力系数有效值与Strouhal数的对比。

图3 四种翼缘配置工况下方柱环向平均压力系数对比

图4 四种翼缘配置工况下平均阻力系数、升力系数有效值与Strouhal数的对比

图5为四种工况下时均流线图，翼缘后方的再循环区域是导致这一结果差异的主要因素。再循环区内部为负压，其值的大小依赖于气泡的形状和尺寸，吸力取决于剪切层的曲率，曲率越强，吸力越大。前角翼缘工况下，剪切层的曲率较大，导致侧面的吸力比普通方柱大。尾流再循环区的尺寸与方柱背风面风压相关，并与阻力成反比。阻力系数与尾流再循环区域的宽度成正比，与长度成反比。升力系数的幅值也与再循环区的长度成反比。

(a)Plain cylinder

(b)Leading fins

(c)Trailing fins

(d)Four fins

图5 四种翼缘配置工况下的时均流线图

三

研究结论

通过风洞试验和大涡流模拟系统地研究了翼缘对方柱空气动力特性的影响，不同位置的角点翼缘会对方柱表面压力、升阻力系数与Strouhal数产生显著的影响。前角点翼缘增强了侧面和背风面的吸力。后角点翼缘则正好相反，不仅减少了阻力均值，还减少了升力的波动幅值。这为桥梁、高层建筑或其他方形截面钝体结构提供了有效的设计策略。

同时，自然界中风向是不断变化的，这意味着无法在实际中始终保持后角点翼缘工况以达到减小阻力与升力的效果。这一不足可以通过前沿的人工智能技术加以改善，根据周围风环境，实时控制并改变翼缘的位置（图6所示），以保持结构始终处于后角点翼缘工况。

图6 基于人工智能的角点翼缘调节装置

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