分析钝体绕流阻力最典型例子是圆柱绕流。流体绕圆柱体流动时,在圆柱体后半部,尾流的形态图形主要取决于流动雷诺数

(1)当Re≪1时,称为低雷诺数流动。流体可平顺地绕过圆柱,几乎无流动分离。此时阻力几乎全是摩擦阻力且与速度一次方成正比例,如图6-4(a)所示。

(2)当1≤Re≤500时,此时要产生流动分离。当Re>40时,圆柱后部出现一对驻涡,如图6-4(b)所示。当Re>60时,从圆柱后部交替释放出涡旋且被带向下游,这些涡旋排成两列呈有规则的交错组合,称为卡门涡街(Karman vortex street),如图64(c)所示。此时阻力中既有摩擦阻力又有形状阻力,大致与速度的1.5次方成比例。若脱落频率正好与圆柱体横向振动的自然频率相近或相等,就会产生共振。例如:电线的“风鸣声”,在管式热交换器中使管束振动,并发出强烈的振动噪声,更为严重的是它对绕流周期性的压强合力可能会引起共振。美国华盛顿州塔克马吊桥(Tacoma,1940)因设计不当,在一次暴风雨中由桥体诱发的卡门涡街在几分钟内将桥摧毁。卡门涡街不仅仅限于圆柱绕流,一般钝体后也会出现。

在圆柱体后面的卡门涡街中,两列旋转方向相反的旋涡周期性地交替脱落,其脱落频率f与流体的来流速度U 0成正比,而与圆柱体的直径d成反比,即

式(6-22)中的Sr称为斯特劳哈尔(Strouhal)数,与Re数有关。当Re数大于103时,斯特劳哈尔数近似等于常数0.21。根据这一性质,可制成涡街流量计,详见第八章。

(3)当500≤Re≤2×105时,此时流动严重分离。从Re=104起,边界层甚至从圆柱的前部就开始分离,如图6-4(d)所示,形成相当宽的分离区。此时阻力以形状阻力为主,且与速度的二次方成比例。

(4)当2×105≤Re<5×105时,由于分离点前的层流边界层变为湍流边界层,使得分离点往后推移,从而分离区大大缩小如图64(e)所示。至Re=5×105时分离区为最小。阻力系数达到最小,C D=0.3。

(5)当5×105≤Re≤3×106时,分离点又向前移,阻力系数C D有所回升。

(6)当Re>3×106时,分离区相对稳定,一般称为自模区。