Investigating flow dynamics around a dodecagonal cylinder: a comparative analysis with a circular cylinder

Abstract

Abstract Non-circular cylinders can manipulate separation and wake dynamics for mixing, heat transfer, and energy harvesting. This study investigates flow past a dodecagonal cylinder and benchmarks it against a circular cylinder across steady and unsteady laminar regimes, with the goal of identifying the conditions under which the dodecagonal section is preferable to the circular one. We perform numerical, time-resolved simulations using the lattice Boltzmann method (LBM) over <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>20</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>40</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>100</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>125</mml:mn> </mml:math> , covering steady <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mfenced close=")" open="(" separators=""> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>≤</mml:mo> <mml:mn>40</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:math> and unsteady laminar <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mfenced close=")" open="(" separators=""> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>100</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>125</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:math> regimes. We report drag coefficient <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> , lift coefficient <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> , and Strouhal number <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>S</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>t</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> . In the steady regime, the dodecagon shows a more stable, narrower wake and lower drag: <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>6.47</mml:mn> </mml:math> versus <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>6.69</mml:mn> </mml:math> at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mfenced close=")" open="(" separators=""> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3.29</mml:mn> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>3.36</mml:mn> </mml:math> versus <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>3.46</mml:mn> </mml:math> at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mfenced close=")" open="(" separators=""> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>2.89</mml:mn> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>2.27</mml:mn> </mml:math> versus