多圆柱绕流的数值模拟及力学分析_赵红晓.pdf
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1、 第 卷 第 期 年 月:多 圆 柱 绕 流 的 数 值 模 拟 及 力 学 分 析赵 红 晓(同济大学 航空航天与力学学院,上海)摘 要:基于计算流体力学理论,采用 对 种不同雷诺数下多圆柱绕流模型进行了仿真研究,得到了速度云图和升阻力系数随时间变化的曲线。仿真结果表明:尾涡区的长度和紊动强度随来流的雷诺数增大而增强。圆柱的阻力系数随雷诺数的增加而降低,流动由层流变为紊流,且湍动更强烈;第 列小圆柱升力系数随雷诺数的增大而逐渐减小。从第 列至第 列升力系数振荡幅度逐列增加,第列圆柱的升力系数振荡幅度较大,最大值为其他列圆柱的 倍以上;时的速度云图和实验装置的流动图像接近,与数值模拟实验装置的
2、流动规律相似。关键词:多圆柱绕流;数值模拟;力学分析中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(,):,:;收稿日期:基金项目:同济大学实验教改项目()作者简介:赵红晓(),女,河南郏县人,博士,高级工程师,研究方向为固体力学、实验力学。:;:引 言 圆柱的绕流现象在工程中广泛存在,如管排、桥墩、电缆和高耸建筑等结构周围的流动问题。年 月 日,美国华盛顿州塔克马海峡大桥因风振致毁,事故原因正是空气绕流形成的卡门涡街引起的桥梁共振。作为典型钝体的一种,近代学者对圆柱绕流的研究一直没有停息过。年,冯卡门观察到在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的
3、双列线涡,并对涡街的诱导速度、稳定性和阻力等做了分析。第 期赵红晓:多圆柱绕流的数值模拟及力学分析等揭示了圆柱后尾流形态和雷诺数之间的对应关系。研究了双圆柱串列在流体流动速度很小时,不同的间距比 (圆柱间距与圆柱直径之比)对两柱间隙中的速度分布和下游柱尾流场中的速度分布具有明显影响。等发现双圆柱绕流在间距比 时尾流产生的涡街迅速消失,间距比为.时两条尾流的形状随时间随机发生变化,出现涡脱落方向相同、相反等 种典型的尾流形状。等研究了双柱并列(非等直径),间距比为.之间时流体形态发生交替偏斜,间距比大于.时,两柱后分别形成各自的涡脱落。张爱社等利用有限元法对等边三角形布置的等直径 圆柱绕流问题进
4、行了研究,表明小圆柱的位置、大小、个数以及雷诺数变化等对主圆柱有影响。等研究了 个并列小圆柱置入尾流区,可有效地抑制涡街的产生,并使主圆柱的升力系数降低了 ,压力、阻力减小也很明显。张洪军等研究了附属小圆柱对并列双圆柱尾流流场的影响。等研究了放置于主圆柱后的旋转小圆柱可以有效地抑制涡街的生成。由于流动的复杂性,目前以多圆柱群为对象的研究相对较少,工程情况中圆柱以圆柱群的形式出现的案例却十分常见,本文选取不等直径多圆柱群实验装置进行仿真研究。数值模拟.控制方程本文采用 软件进行数值模拟,选用 算法(半隐式方法 )进行计算。本文研究中,低雷诺数下水的流动,可近似为不可压缩流体,则二维连续性方程可简
5、化为:()动量方程为动量守恒定律在流体力学中的表示形式:()()()()式中:、为 个速度分量;为压强;为流体密度;为流体动力黏度。升力系数 和阻力系数 是流体力学中的无因次量,用来表示物体在流体中的升力和阻力大小()()式中:、分别为物体受到的升力和阻力;为无限远场的来流速度;为物体在来流方向上的投影面积。雷诺数 ()式中,、分别为流场的特征速度和特征长度。雷诺数物理上表示惯性力和黏性力量级的比。本文均设置左侧边界为速度入口,右侧边界为压力出口,远场壁面为对称边界条件,圆柱壁面采用无滑移壁面。流体介质为水,密度 ,动力黏度 .()。.计算模型多圆柱绕流研究实验装置如图 所示,以还原实验装置中
6、的流动规律,划分模型进行多组仿真计算。图 流态演示装置断面示意图 为避免过于庞大的模型造成不必要的计算时间浪费,需对模型进行适当的简化和划分。如图 所示,模型保留了实验装置中近壁面绕流和多圆柱群绕流的流域,并在入口和出口处做了适当的加长。与实验室现象进行对比,观察能否正确模拟实际流动,保留了实验装置中的栅格,多圆柱排列方式、尺寸和编号如图 所示。()模型形状及尺寸()()栅格形状及尺寸()图 实验装置物理模型及尺寸.网格划分及计算方法验证采用结构化网格的方法进行网格划分,建立 与圆柱面以及栅格前缘、尾缘的圆角关联,将其第 卷()多圆柱排列方式及尺寸()()多圆柱编号图 多圆柱群尺寸及编号示意余
7、边与壁面和栅格长边关联,并在湍流情况中,运用式()估算第 层网格到柱面的距离 进行相应加密。最终得到的网格具有较好的质量和长宽比,网格划分如图 所示。图 实验装置网格划分 网格划分与层流验证模型时相同。为保证圆柱面上第 层网格满足,估算确定第 层网格到柱面的距离 .()代入特征长度 .,得到.,加密后网格如图 所示。()局部圆柱网格()圆柱周围网格加密图 圆柱周围及局部网格加密图 层流模型和紊流模型验证参考文献,使用相同的物理模型进行层流验证。左侧为速度入口,右侧为压力出口,远场壁面为对称边界条件,圆柱壁面采用无滑移壁面。计算区域,采用结构化网格,计算参数见表,计算结果见表。表 层流验证模型仿
8、真参数雷诺数计算模型圆柱直径 来流速度()时间步长 残差层流 表 层流模型验证结果与文献数据对比数据来源文献本文 由表 可知,计算结果与文献基本一致,可使用层流模型对小雷诺数的情况进行模拟。参考文献中使用相同的物理模型进行紊流验证。左侧为速度入口,右侧为压力出口,远场壁面为对称边界条件,圆柱壁面采用无滑移壁面。计算区域,靠近圆柱加密网格,采用结构化网格,计算参数见表,计算结果见表。表 湍流验证模型仿真参数雷诺数计算模型圆柱直径 来流速度()时间步长 残差 分离涡 表 湍流模型验证结果与文献数据对比数据来源平均阻力系数,斯特劳哈尔数,本文文献 计算结果与文献基本一致,可使用分离涡模型进行模拟。仿
9、真计算分别采用以上验证计算模型和划分网格的方法分别对多圆柱绕流模型(见图()进行数值模拟,表 中雷诺数均为小圆柱雷诺数,参数设置见表。表 实验装置中多圆柱绕流仿真参数雷诺数计算模型大圆柱直径 小圆柱直径 来流速度()时间步长 残差层流 分离涡 分离涡 由速度云图图()可见,在 时,以大圆柱的前缘为中心,水流在驻点受阻后,被迫向两边流动,在靠近圆柱尾部的边界上,主流开始与圆柱体分离,边界层分离后,在分离区的下游形成回流区,即为尾涡区。后流经栅格区域,在流经栅格的各狭缝中,由于截面积的减少,流动皆有一定的加速。流体流经多列小圆柱时,列与列之间的尾涡出现掺混而紊动更强烈,涡的长度由于受到限制变短。第
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