چكيده فارسي :
وجود ساختارهاي متفاوت جريان همراه با پديده¬هاي فيزيكي پيچيده حول اجسام جريان بند موجب انگيزش دانشمندان براي مطالعه جريان حول سيلندرهاي مربعي، مستطيلي يا دايره¬اي شده است. هدف اين تحقيق، مطالعه گذارهاي جريان دنباله شامل ريزش گردابه، دو بعدي به سه بعدي شدن جريان و تعيين اعداد رينولدز بحراني مرتبط با اين دو نوع گذار به منظور تحليل پديده¬هاي فيزيكي رفتار جريان حول دو سيلندر پشت سر هم با مقاطع متفاوت (اولي مربع و دومي مستطيل با نسبت منظري 1 تا 4) با تغيير فاصله مي¬باشد. اين تحقيق بنيادين بوده لذا مي¬تواند كاربردهاي صنعتي نيز داشته باشد. محدوده اعداد رينولدز انتخابي 30 تا 500 است. در بخش اول، نتايج شبيه¬سازي عددي دو بعدي جريان و انتقال حرارت غيردائم آرام حول دو سيلندر پشت سرهم شامل سيلندر مربعي 1 = b_1^* و سيلندر مستطيلي 4-1 = b_2^* (b^*=b⁄a و a bو اضلاع سيلندرها) با تغيير فاصله بين سيلندري (6-1S* =S/a= ) در محدوده اعداد رينولدز از 30 تا 210 ارائه و مقايسه گرديد. در بخش دوم، نتايج حاصل از شبيه¬سازي عددي مستقيم سه بعدي حول دو سيلندر پشت سرهم (1 = b_1^*) و (4و1 = b_2^*) در 5-2 S^*= با تغيير طول سيلندر (7 و 4 L_h^*=) و 500-200 Re= مطالعه گرديد. در اولين بخش اين پژوهش، ابتدا گذار اول جريان دنباله (تغيير جريان دائم به غير دائم و شروع ريزش گردابه) بررسي و محدوده اعداد رينولدز بحراني اول〖( 〖Re〗_(cr1 ))〗_ مرتبط با آن براي هر S^* تعيين شد. با تغيير نسبت منظري سيلندر دوم (4-1 = b_2^*) در يك فاصله ثابت 4 S^*= اعداد رينولدز بحراني( 〖Re〗_(cr1 )) در هر نسبت منظري مشخص گرديد. در بخش دوم پژوهش با استفاده از شبيه سازي¬هاي مستقيم بصورت سه بعدي و غيردائم، محدوده اعداد رينولدز بحراني دوم( 〖Re〗_(cr2 )) با تغيير نسبت منظري سيلندر دوم (4 و 1 = b_2^*) تعيين شد. سپس اثر تغيير S^* و افزايش L_h^* روي 〖Re〗_cr2 مطالعه گرديد. در حالت دو بعدي و سه بعدي به بررسي فيزيك جريان با استفاده از ساختار لحظه-اي و متوسط پيرامون سيلندرها پرداخته شد. الگوهاي لحظه¬اي جريان (الگوي تك جسم، اتصال مجدد و ريزش گردابه دوگانه) متناسب با تغييرات Re, S^* و b_2^* شناسايي و مورد تحليل قرار گرفت. شش الگوي متوسط زماني جريان (I, II, III, IV, V, VI) براي كل محدوده اعداد رينولدز مورد بررسي معرفي و ارتباط آن¬ها با ضرايب آيروديناميكي از جمله ضرايب ليفت و درگ و عدد استروهال مشخص گرديد. نتايج نشان داد؛ براي (1 = b_1^* و 4 = b_2^*) با افزايش S^* از 1 تا 6، مقدار عدد رينولدز بحراني اول〖( 〖Re〗_(cr1 ))〗_ از 5/2±5/127 تا 5/2±5/49 كاهش مي¬يابد. در حالي كه افزايش نسبت منظري سيلندر دوم (b_2^*) منجر به پايداري گردابه بين دو سيلندر مي¬شود و براي 2 = b_2^* ريزش گردابه تا 5/2±5/164 〖Re〗_cr1= در هر دو سيلندر متوقف مي¬شود. شبيه¬سازي سه بعدي مستقيم به منظور تعيين گذار جريان دنباله دو بعدي به سه بعدي براي دو سيلندر با مقطع مختلف (1 b_1^*= و 4 b_2^*= و 4 L_h^*=) در 4 S^*= نشان داد كه مقدار عدد رينولدز بحراني دوم در هر دو سيلندر 5/12 ± 5/212 〖Re〗_cr2= يكسان است. همچنين افزايش b_2^* يا كاهش S^* منجر به تعويق يا تأخير در سه ¬بعدي شدن جريان مي¬شود. با افزايش L_h^* گذار دو بعدي به سه بعدي جريان در محدوده اعداد رينولدز كمتر اتفاق مي¬افتد. در گذار جريان دنياله دو بعدي به سه بعدي، مودهاي جريان معرفي و وابستگي آن¬ها به الگوهاي جريان و نسبت منظري سيلندر دوم (b_2^*) نشان داده شد. با افزايش عدد رينولدز در گذار دوم ( دو بعدي به سه بعدي) ابتدا مود A، سپس مود A با جابجايي گردابه (A*)، پس از آن مود B و در نهايت دنباله نامنظم مشاهده گرديد. نتايج نشان داد؛ جريان در گذار سه بعدي پيرامون سيلندر اول مود B و پشت سيلندر دوم تركيبي از مودهاي B و A را وابسته به زمان حل تجربه مي¬نمايد (400 و 300 Re=). فركانس ريزش گردابه در قبل از محدوده اعداد رينولدز بحراني دوم و بعد از آن براي هر دو سيلندر تك فركانس مي¬باشد. ليكن در (225 و 200 Re =) براي سيلندر اول دو قله يا دو فركانس غالب در گذار دو بعدي به سه بعدي وجود دارد. بر اساس يافته¬هاي اين مطالعه در حالت دو بعدي براي دو سيلندر پشت سرهم (1 b_1^*= و 4 b_2^*=) و 150 Re= پديده هيسترزيس در فاصله 5/4 ≤ ≤S^* 5/3 اتفاق مي¬افتد. در همين شرايط و شبيه¬سازي سه بعدي براي 250 Re= نيز پديده هيسترزيس مشاهده گرديد.
چكيده انگليسي :
The existence of different flow structures along with complicated physical phenomena around bluff bodies has motivated researchers to study the flow around square, rectangular or circular cylinders. The aim of this research is to study of wake transitions including the onset of vortex shedding and two- and three-dimensional flow and the associated critical Reynolds numbers in order to analyze the physical phenomena of the flow behavior around two cylinders with different cylinder gap-spacing. The Reynolds number range for this study is between 30 and 500. In the first part of this work, the results of two-dimensional numerical simulations of unsteady flow and heat transfer around two tandem cylinders, including a square cylinder b_1^*=1 and a rectangular cylinder b_2^*= 1-4 (b^*=b⁄a and a and b the sides of the cylinders) were compared for various gap-spacing S* =S/a= 1-6 in the Reynolds number range from 30 to 210. In the second part, the results of three-dimensional direct numerical simulation around two tandem cylinders (b_1^*=1) and (b_2^*= 1 and 4) in S* = 2-5 were studied for Re = 200-500. In addition, the influence of the cylinder length (L_h^*= 4 and 7) was investigated on the results. For 2D simulations, the range of the first critical Reynolds numbers (〖Re〗_(cr1 )) was determined for each S*. Also, by changing the aspect ratio of the second cylinder (b_2^*= 1-4) at a fixed gap-spacing of S* = 4, the critical Reynolds numbers 〖Re〗_(cr1 ) at each aspect ratio were determined. For 3D simulations, using direct three-dimensional and unsteady simulations, the transition of the wake flow from two-dimensional to three-dimensional was investigated and the range of the second critical Reynolds numbers 〖(Re〗_(cr2 )) was determined by changing the aspect ratio of the second cylinder (b_2^*= 1 and 4). Then, the effects of changing S* and increasing L_h^* on 〖Re〗_(cr2 ) were also studied. In two-dimensional and three-dimensional cases, the flow physics was investigated using the instantaneous and mean structure around the cylinders. The instantaneous flow patterns (single or slender-body, reattachment and co-shedding flow) were identified and analyzed in proportion to the changes in Re, S* and b_2^*. Six time-averaged flow patterns (I, II, III, IV, V, VI) were introduced and their relationship with aerodynamic coefficients including lift and drag coefficients and Strouhal number was determined. The results showed that; for b_2^*= 1 and b_2^*= 4, with increasing S* from 1 to 6, the value of the 〖Re〗_(cr1 )decreases from 127.5 ± 2.5 to 49.5 ± 2.5, while increasing the aspect ratio of the second cylinder (b_2^*) leads to vortex stability between cylinders, where vortex shedding suppress up to 〖Re〗_cr1= 164.5 ± 2.5 for both cylinders at b_2^* = 2. 3D results (b_1^*= 1, b_2^*= 4, and L_h^*= 4) at S* = 4 show that the second critical Reynolds number in both cylinders is the same. i.e. 〖Re〗_(cr2 )= 212.5 ± 12.5. Also, increasing b_2^* or decreasing S* leads to delay to form the 3D flow. In the transition of 2D to 3D, flow modes were introduced and their dependence on the flow patterns and aspect ratio of the second cylinder (b_2^*) were shown. With increasing Reynolds number in the secondary wake transition (two-dimensional to three-dimensional flow), different flow modes, including Mode A, mode A with vortex dislocation (A*), mode B and finally an irregular flow were observed.
