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1、利用 FLUENT软件模拟圆柱绕流摘摘 要要:使用计算流体力学软件FLUENT,模拟均匀来流绕固定圆柱的流动,模拟雷诺数为20 ,40 ,100 时的绕流流动,得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明:当雷诺数增加时,流动表现出一系列不同的构造。在雷诺数约为40 前后流场有明显变化。小于这个数时,存在一对位置固定的旋涡。大于40 时,流场开始变得不稳定,旋涡扩大、脱落、又生成,逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡。并与实验及数值模拟结果比较,确认FLUENT能够很好地预测流动结构。关键词关键词: 圆柱绕流 FLUENT软件 雷诺数1 1 圆柱绕流理论分析研究的状况圆柱绕流理论分析研究
2、的状况一个世纪以来,圆柱绕流一直是众多理 论分析、实验研究及数值模拟对象。但迄 今对该流动现象物理本质的理解仍是不完 整的。圆柱绕流中,起决定作用的是雷诺数,但 还受到许多因素,如阻塞比,来流湍流度,下 游边界条件等的影响。 随着雷诺数的增加,粘性不可压缩流体 绕圆柱的流动会呈现各种不同的流动状态, 在小雷诺数时,流动是定常的,随着雷诺数 的增加,圆柱后会出现一对尾涡。当雷诺数 较大时,尾流首先失稳,出现周期性的振荡。 而后附着涡交替脱落, 泻入尾流形成Karman 涡街,随着雷诺数的增加,流动变得 越来越复杂,最后发展为湍流。White1认 为“圆柱涡流具有经典性的重要意义” 。 一般认为圆
3、柱绕流有2 种定常的流动 图案:雷诺数为较小时,圆柱后无尾涡;当雷 诺数为较大时,圆柱后有一对对称的尾涡。 关于定常流失稳以及出现湍流的临界雷诺 数主要是通过应用流场显示技术观察流动 形态得到的,所以不是准确值。对于分界点 雷诺数就有不同的见解,Kovasznay 、Roshko 等认为定常流动失稳的临界雷诺 数大约为40。而从周期性尾流到湍流的详 细的转变过程的实验研究似乎还是空白。 对均匀来流绕固定圆柱的二维平面流 动,国内外许多学者进行过大量的研究。决定圆柱绕流流态的是雷诺数的值, (Re)时,流动不发生分离,Re55Re40 在圆柱体后面出现一对位置固定的旋涡; ,旋涡扩大,然后有一个
4、旋40Re150 涡开始脱落,接着另一个也脱落,在圆柱体 后面又生成新的旋涡,这样逐渐发展成两排 周期性摆动和交错的旋涡,即Karman 涡街。,涡街是层流,Re150150Re300 旋涡由层流向湍流转变。,称为亚临界区。此时,5300Re3 10 柱体表面上的边界层为层流,而柱体后面的 涡街已完全转变为湍流,并按一定的频率发放旋涡。,称为过渡563 10Re3 10 区。此时,柱体表面上的边界层也转变为湍 流,分离点后移,阻力显著下降,旋涡的发放 不规则,发放频率是宽频率随机的。称为超临界区。此时,重新建6Re3 10 立起比较规则的准周期性发放的涡街。目 前,对圆柱绕流的三维数值研究则不
5、多,然 而试验表明,即使均匀来流垂直流过等截面 的圆柱体,当Re足够大时,也会呈现三维的 流动状态。 圆柱绕流属于非定常分离流动问题,在 工业工程中的应用非常广泛,数值模拟是研 究这类问题的有力工具。但是,控制方程的 高度非线性以及边界条件的多样性严重阻 碍了这类问题的解决。到目前为止,有限差 分、有限元、大涡模拟(LES) 、直接数值 模拟(DNS) 等方法都先后被应用。但是,这 些方法都需要增加网格生成的附加工作,尤 其是在遇到复杂几何区域时更需要巨大的 网格数量,大大影响计算效率。 本文利用N-S 方程,对固定圆柱绕流进行了三维数值模拟,利用计算流体力学软件FLUENT ,选取Re =
6、20 ,40 ,100 ,模拟了圆 柱周围的流场,得到流场的涡量等值线和速 度矢量图,并与实验结果进行了比较。2 2 数学模型与数值方法数学模型与数值方法对不可压缩粘性流体,在直角坐标系下,其 运动规律可用N-S 方程来描述,连续性方程 和动量方程分别为0jjux 11ji ji jjjjuuPu uvtxxxx 2圆柱周围的流场利用FLUENT 求得,采 用有限体积法和SMPLEC算法。3 3 数值计算与结果讨论数值计算与结果讨论一个无穷长直径为2.0m 的圆面积柱体,放置在无穷远来流速度为1.0 m/ s 不 受干扰的均匀横流中,其他参数如图1、图2 所示。图图1 1 计算域计算域雷诺数由
7、圆柱体直径和自由来流速度 确定。通过改变粘度,得到不同的雷诺值(20 ,40 ,100) , ,当雷诺数ReUD 为100 时,试验的Strouhal 数是0.165 , 。DSU边界条件:进口和侧面边界始终为自由来流条件 ,流动出口为零法1.0/Um s向梯度出口边界。 流体特性假定为常数,结果见表1。表表1 1 流体特性流体特性Re2040100密度/(kg/ m3)111动力粘度/ (Pa2s)0.10.050.02 网格示意图如图2 所示。图图2 2 网格剖分网格剖分Re = 20 和Re = 40 时的流函数和速度 矢量如图3、图4、图5、图6 所示,流动是 对称的。图图3 3 流函
8、数等值线图流函数等值线图( Re = = 2020)图图4 4 速度向量图速度向量图( ( ReRe = = 20)20)图图5 5 流函数等值线图流函数等值线图( ( ReRe = = 40)40)图图6 6 速度向量图速度向量图( ( ReRe = = 40)40)图图7 7 流函数等值线图流函数等值线图( ( ReRe = = 100)100)图图8 8 速度向量图速度向量图( ( ReRe = = 100)100)4 4 结论结论(1) 计算结果表明:当雷诺数增加时,流 动表现出一系列不同的构造。在Re 40 时,流场 开始变得不稳定,旋涡扩大、脱落、又生成,逐 渐发展成两排周期性摆动
9、和交错的旋涡。 与实验及数值模拟结果比较,确认FLUENT 能够很好地预测流动结构。(2) 利用计算流体力学软件FLUENT 可 以成功地模拟圆柱绕流问题,反映出流动特 性。(3) 可以对大于100 的雷诺数做进一步 的研究,探讨其机理。FLUENTFLUENT应用发展现状应用发展现状 FLUENT 软件于1998 年进人中国市场。FLUENT软件在我国应用的也很广泛。FLUENT 软件在空气流场中的应用已比较成熟。田铖等2模拟了地铁专用轴流风机的内部流场；李磊等3模拟了两种风向条件下街区风速分布和CO 质量浓度的分布情况；杨伟等4计算了大气边界层中单栋高层建筑的定常风流场； 赵琴5对空调室内
10、的温度场进行了计算机模拟。FLUENT 软件在水流流场中的应用不同于单纯的空气流场。水利工程问题边界复杂，水气混掺，存在多个自由水面，需要采用二相流模型，计算机模拟的成果还不多。Salaheldin 等9对垂直圆墩周围的三维流场进行了计算机模拟；刘加海等6在水槽中对二维规则波进行了计算机模拟；韩龙喜等6在环形水槽中对三维流场进行了计算机模拟。Chen 等8采用双方程紊流模型，对阶梯溢流坝流场进行了三维紊流计算机模拟，得出溢流坝沿程的自由水面位置、速度大小和分以及阶梯面上的压力等重要流场特性。刁明军等9采用VOF法对挑流消能从库区到下游水垫塘进行了水气二相流计算机模拟，得到射流的空中轨迹线、水垫
11、塘的自由水面和计算域的压力、流速、紊动能及紊动能耗散率分布。杨忠超等10结合向家坝水电工程，采用VOF 法和RNG 紊流模型对多股多层水平淹没射流进行三维计算机模拟， 得出中孔和表孔联合泄洪时消力池的流速和紊动能分布。陈云良等11根据某电站进水口1：50 模型试验结果，对进水口流场进行了计算，研究来流、复杂地形边界等对进水口流态的影响。张挺等12-13对索风营电站X 形宽尾墩和阶梯溢流坝联合消能的三维流场进行数值计算，给出压力特性、流速分布、阶梯及墩后水气两相流的部分特性。周勤等14对小南海水库双弯曲型溢洪道原型流场进行三维计算机模拟， 得出溢洪道沿程水面线和速度等重要水力参数。叶茂等15结合
12、典型工程算例，就复杂水气交界面的处理、模型建体和网格划分等问题作详细介绍。罗挺等16以windows2000 操作系统和通用CFD 软件工具FLUENT 为基础，研究构建了不同的并行计算硬件平台的力法，计算了典型的山谷污染物扩散过程的湍流流场。可见，FLUENT 软件在水力学中的应用已逐步展开，计算机模拟同试验研究相比，具有成本低、方案变化快、无测量仪器干扰、无比尺效应和数据信息完整等优势，可作为模型试验的有力补充，如进水口模型试验在高水位时，无法用常规仪器测量进口周围的流速，而数值计算则可得到全域流场特性。另外，由于其减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方而投入的重复、低效的劳动，将更多
13、的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的设定，因而提高了工作效率，其必然会获得越来越多的应用，应用效果也必将越来越好。参考文献：参考文献：1 Frank M. White. Viscous Fluid FlowM . McGraw2Hill Inc ,1974.2 田铖，张欢，由世俊，等 利用FLUENT 软件模拟地铁专用轴流风机的内部流场（一）：对称翼叶片轴流风机J 流体机械，2003，31（11）：13153 李磊，胡非，程雪玲，等 FLUENT 在城市街区大气环境中的一个应用J 中国科学院研究生院学报，2004，21（4）：4764804 杨伟， 顾明 高层建筑三维定常
14、风场数值模拟J 同济大学学报，2003，31（6）：6476515 赵琴 FLUENT 软件的技术特点及其在暖通空调领域的应J 计算机应用，2003，23（12）：4244255 SALAHELDIN T M， IMRAN J CHAUDHRY M H Numericalmodeling of three dimensional flow field aroundcircular piers J Journal of Hydraulic Engineering，2003，130（2）：911006 刘加海， 杨永全， 张洪雨，等 二维数值水槽波浪生成过程及波浪形态分析J 四川大学学报： 工程科
15、学版，2004， 36（6）：28317 韩龙喜， WAJ Winghong 加长型环形水槽水流特性的数值模拟J 河海大学学报：自然科学版，2003，31（6）：639 6438 CHEN Qun， DAI Guangqing， LIU HaowuVolume offluid model for turbulence numerical simulation of steppedspillway overflow J Journal of Hydraulic Engineering，2002， 128 （7）：6836889 刁明军，杨水全，王玉蓉，等挑流消能水气二相流数值模拟J 水利学报，2003，9：778210 杨忠超，邓军， 杨永全，等多股多层水平淹没射流数值模拟研究J 水利学2004，5：313811 陈云良，伍超，叶茂水电站进水口水流12 陈云良，伍超，叶茂水电站进水口水流流态的研究J 水动力学研展，2005，20（3）：34034513 张挺，伍超，卢红，等 X 型宽尾墩阶梯滋流坝流场三维数值模拟J 水利学报，2004，8：152014 ZHANG Ting， WU Chao， LIAO Huesheng， et al 3Dnumerica
