柱式结构绕流现象中的减阻控制和涡激振动抑制,一直是流体力学和工程领域中的重要课题,其中减阻控制不仅能够提升工程结构可靠性和安全性,更是节约能源、提高运载效率的重要手段。本文将沟槽及凹坑两种表面工艺加工在柱式结构上进行减阻研究,并探究工艺参数对于减阻效果的影响,分析减阻机理,主要研究工作如下:(1)通过边界层粘性流动理论、曲率壁面边界层流动分离现象、圆柱绕流涡街现象等分析柱式结构绕流阻力的组成与成因,并对国内外柱式结构绕流减阻技术进行文献调研,确定沟槽和凹坑两种非光滑表面工艺减阻形式为本文的主要研究内容。(2)通过计算平板层流边界层厚度理论公式、NASA无量纲尺寸经验高度公式以及整理文献内具有良好减阻效果的工艺形式等方面估算本文的减阻工艺参数,最终选择6组形式表面工艺圆柱为本文预设的减阻工艺。(3)从二维截面绕流场模拟入手,雷诺数Re=10000,从升阻力系数、流线图和平均压强分布图分析工艺减阻可行性与减阻原因,提出在旋涡从生成到脱离的过程内,抑制旋涡在柱面上的影响范围是能够减阻的关键。(4)考虑流场的三维效应,雷诺数Re=10000,设置可能具备减阻效果的3组沟槽结构和2组凹坑结构表面工艺圆柱模型,计算平均阻力系数、升力系数均方根值和斯特劳哈尔数,分析沿周平均压力系数曲线、回流区域参数以及平均压强分布等,得出结论五组工艺表面模型都具备减阻效果,且工艺结构的存在使圆柱面分离点向上游移动以及增大圆柱表面局部区域流速,同时证明柱式结构的减阻效果与柱后回流区长度、主旋涡至圆柱距离、柱后压强值具有正相关的关系,并拓展模拟工况至Re=40000,探究工艺表面圆柱升阻力系数、沿周平均压力系数随雷诺数变化的影响关系。(5)通过循环水槽设备,对沿圆周16个沟槽,工艺深度0.025D的沟槽圆柱和沿圆周8个凹坑,菱形分布间距8mm,工艺深度0.05D的凹坑圆柱进行实验研究,流场雷诺数范围7320~18800,测量阻力与升力的时间历程曲线,并将试验结果与文献和数值模拟结果进行对比,得出结论两种工艺结构都具有减阻能力。其中,沟槽形式表面减阻效果为11%~27%,凹坑形式表面减阻效果为6%~20%。相比较而言,沟槽形式减阻效果更好,却加剧了阻力系数波动,而凹坑形式抑制升力幅值波动效果更强,减阻效果相对较弱,但两者都表现出在更高雷诺数条件下能够继续提升减阻效率的趋势。