Signifikant Reduksjon i Luftmotstanden på en Sylinder ved bruk av Striper og Tekstiler

Abstract

Effekten av striper og små-skala overflateruhet på luftmotstanden og virvelavløsningen til en sirkulær sylinder, har blitt undersøkt. En sylinder ble dekket av et 'tekstil' bestående av halvsirkulære striper liggende vinkelrett med strømningsretningen, med et av tre forskjellige stoff laminert utenpå. Tekstilets striper var likt fordelt og hadde lik form og størrelse. Tre stripehøyder, fire relative avstander (avstand/høyde) og tre stoff med ulik ruhet ble kombinert til 28 unike tekstiler med ulike overflatestrukturer. Overflatestrukturene ble analysert ved å skanne overflatene med en 3D-skanner. Luftmotstanden på sylinderen dekket av de forskjellige tekstilene ble målt i en vindtunnel for Reynoldstall i området 20,000 < Re < 160,000, som representerer nesten en tierpotens endring sentrert rundt "dragkrisen". Hastighetsmålinger på et punkt i vaken nedstrøms for sylinderen, ble utført ved bruk av varmetrådsanemometri for å se på endringer i virvelfrekvensen.

Resultatene viste betydelige reduksjoner i gjennomsnittlig luftmotstand for de fleste tekstiler, sammenlignet med en glatt sylinder, med verdier opp til 38,1 %. Økende stripehøyde førte til lavere kritisk Reynoldstall og høyere minimal luftmotstandskoeffisient. Det førte også til at toppen i Strouhaltallet ble redusert ved det kritiske Reynoldstallet. Variasjoner i stripeavstanden resulterte i en "optimal" avstand som var fem ganger stripehøyden, som forårsaket det laveste kritiske Reynoldstallet, hvor økende stripeavstander forårsaket ueffektive geometrier som var svært avhengige av retningen på luftstrømmen, og hvor synkende stripeavstander skapte en glatningseffekt med høyere kritiske Reynoldstall. Ved å bruke stoff med høyere mikroruhet ble det kritiske Reynoldstallet redusert, og den minimale luftmotstandskoeffisienten, den superkritiske helningen og den transkritiske luftmotstandskoeffisienten, ble økt.

Det kritiske Reynoldstallet og den minimale luftmotstandskoeffisienten for hvert tekstil ble korrelert med de respektive overflatestrukturene ved bruken av overflateparametere. Disse parameterene ble for hvert tekstil hentet fra verdier i den to-dimensjonale Fouriertransformasjonen av overflateskanningen. Polynomiske tilpasninger ble gjort for det kritiske Reynoldstallet som funksjon av en overflateparameter, og for den minimale luftmotstandkoeffisienten som funksjon av en annen overflateparameter. Begge de polynomiske tilpasningene viste globale trender, og den minimale luftmotstandskoeffisienten ble modellert med et standardavvik på under 9 % innen det målte Re-området.

The impact of ribs and small-scale surface roughness on the drag and vortex shedding of a circular cylinder is investigated herein. The cylinder was covered by a 'textile' which consisted of semicircular ribs perpendicular to the flow that were covered by one of three different fabrics. The textiles' ribs were equally distributed and had equal shape and size. Three rib heights, four relative rib spacings (spacing/height) and three coating fabrics, were combined to produce 28 unique textiles with different surface structures. The surface structures were analysed by scanning the surfaces with a 3D-scanner. The drag force on the cylinder covered by the different textiles was measured in a wind tunnel for Reynolds numbers in the range 20,000 < Re < 160,000, representing nearly a decade change centred about the drag crisis. Velocity measurements at a point in the wake of the cylinder were performed with hot-wire anemometry to comment on changes to the shedding frequency.

The results show significant average drag reduction, up to 38 %, for most of the rib geometries compared to a smooth cylinder. Increasing rib height caused the critical Reynolds number to decrease and the minimum drag coefficient to increase. It also caused the peak in the Strouhal number in the wake to decrease at the critical Reynolds number. Varying the rib spacing resulted in one "optimal" rib spacing, being five times the rib height, that caused the lowest critical Reynolds number, with larger rib spacings resulting in a strong dependence on the incoming flow angle, and smaller spacings resembling the smooth case with a higher critical Reynolds number. Increasing the micro-roughness, by changing the coating fabric, resulted in a decrease in the critical Reynolds number and an increase in the minimum drag coefficient, supercritical slope and transcritical drag coefficient.

The critical Reynolds number and the minimum drag coefficient for each textile were correlated with their respective surface structures by the use of surface parameters. These parameters were estimated from the two-dimensional fast Fourier transform of the surface scan made for each textile. Polynomial fits were fit to the critical Reynolds number versus one surface parameter and for the minimum drag coefficient versus a different surface parameter. Each fit showed global trends, and the minimum drag coefficient was modelled with a standard deviation below 9 % within the measured Re-domain.