【word】 不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算

【word】 不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算 不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算 第30卷第12期 2008年12月 武汉理工大学 JOURNALOFWUHANUNIVERSn1YOFEI0L0GY Vo1.30No.12 Dec.2008 不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算 詹吴,李万平,方秦汉2,李龙安2 (1.华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074;2.中铁大桥勘测设计院有限公司,武汉430050) 摘要:应用计算流体力学软件Fluent对不种雷诺数下(亚临界区,超,l盘界区,极超临界区)的圆柱绕流进行仿真计算. 采用大涡模型(Large-eddysimulation),不可压缩的Navier-Stokes方程,计算了三维圆柱绕流的气动力特性.系统分析了 涡脱落形态,阻力系数,Strouhal数随雷诺数的变化情况.数值计算结果表明流动呈明显的三维特性,在10?Re?10 时出现阻力危机现象,从亚临界区,超临界区到极超临界区,涡脱落形态由规则到不规则再到规则. 关键词:圆柱绕流;大涡模型;三维仿真计算 中图分类号:U448.215文献标识码:A文章编 号:1671—4431(2008)12—0129—04 NumericalSimulationoftheFlowAroundaCircularCylinderat VariesReynoldsNumber ping,FANGQin—han,LILong-an ZHANHao,LIWan— (1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China; 2.ChinaZhongtieMajorBridgeReconnaissance&DesignInstituteCoLtd,Wuhan430050,China) Abstract:Flowoveracylinderisafundamentalfluidmechanicsproblemofpracticalimportance.Thispaperpresentsthecal— culationsofcharacteristicsofarigidsinglecircularcyclinderintwoorthreedimensionalincompressibleuniformcrossflowbyUS— ingLamberorLarge—eddysimulationmethodofFLUENT.Thenumericalsi mulationfocusedoninvestigatingthecharacteris— ticsofthedragcoefficient,StmuhalnumberandthetypicalflowpatternswiththeReynoldsnumberfrom1to10.Itisfound thatunderthehighReynoldsnumbertheflowaroundthecylinderobviouslyappearsthreedimensionalcharacteristics.Thereis suddendecreaseinCAf0rl0?Re-~lO,Thenumbericalresultsaregoodagree mentwiththepreviousexperimentresults. Keywords:circularcylinder;large..eddysimulation;three..demensionalnu mericalsimulation 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的对象.因为这种流动既有不固定 的分离点,又有分离后的尾流和脱体涡.随着雷诺数的增加,尾流性质,脱体涡的形态有很大的变化,具有丰 富的流动现象.桥梁结构物,如拱桥的吊杆,斜拉桥的拉索,具有圆柱形状,物体表面边界层流动在逆压梯度 下分离,在一定的雷诺数范围产生规则的旋涡结构,诱发顺气流方向和垂直于气流方向的作用力,有可能发 生共振导致结构损伤或疲劳破坏.因此研究柱体在不同雷诺数下的气动力参数,旋涡脱落特性对于工程结 构设计有着重要意义. 收稿日期:2008—07—21. 基金项目:国家自然科学基金(10372033). 作者简介:詹吴(1971一),男,博士生.E-mail:poetryzhanhao@163.coin 130武汉理工大学2o08年l2月 1数值模型 1.1FLUENT湍流模型及大涡模拟 FLUENT提供的湍流模型包括:单方程(Spalart—Allmaras)模型,双方程模型( 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 _,模型,重整化群-c一 ,模型,可实现(Realizable)-c一,模型)及雷诺应力模型和大涡模拟. 大涡模拟建立在湍流统计理论和拟序结 构认识的基础上,克服了传统湍流模型中时均处理和普适性方面所存在的缺陷,所以文中在高Reynolds数 采用大涡模拟进行圆柱绕流计算.对Navier—Stokes方程在波数空间或者物理空间进行过滤,去掉比过滤宽 度或者给定物理宽度小的涡旋,得到大涡旋的控制方程l_lj. +:0(1)at.8x N(p—u)+鑫(10)=去()一笼一鬻(2) 以上式中,ID为流体密度,”,”为速度分量,P为压力,为流体动力粘性系数.式(1)中带有上划线的量为 滤波后的场变量.r打为亚格子尺度应力,它体现了小尺度涡的运动对所求解的运动方程的影响. 1.2计算模型 计算参数如表1所示.低Reynolds数采用二维层流模型,高Reynolds数采用三维大涡模型.空气运动 粘性系数取为常温下的1.5×10,m2/s. 表1计算模型参数 仿真计算模型如图1所示.流体从左至右流动,左侧设定为速度人口,右 侧设定为自由出流.上下边界为无滑移固壁边界.2维计算模型,矩形计算区 域为41D×21D(D为圆柱直径),模型上游来流区域为10D,下游尾流 区为 30D,离上下边界各为10D.3维计算模型,矩形计算区域为26D×llD,模型 上游来流区域为5D,下游尾流区为20D,离上下边界各为5D.3维计算模型 侧面,一侧以圆柱体展向中截面为对称截面,设置为对称边界,另一侧设置为无 滑移固壁边界.3维计算模型展向长度为4D,划分为20等份. 1.3气动力参数定义 Reynolds数:Re=UD/v,U为来流速度,u为运动粘性系数. Strouhal数:St=f,D/U,为涡脱落的频率. 图13维计算模型网格图 平均阻力系数:Cd=Fd/O.5pVHD,Fd为阻力,H为三维圆柱体的展向高度,fD为空气的密度,涡量 为?=VXu=Ouz— a a uy ,/+(篝一+(一=i++k:哈密顿算子. 2数值计算结果 图2,图3中实曲线是由参考文献[2,3]所得.由图2,图3和表2可看出,数值仿真结果和以往试验结 果[,.吻合较好.从层流到亚临界区涡规则脱落,StrOuha1数恒定;在超临界区涡随机脱落.图2中S试 验数据有一段空白,表明没有固定的St;在极超临界区,涡脱落又开始变得规则,有较明显的主频率.在Re =10(超临界区),平均阻力系数急剧下降.因为在Re=3×10附近,边界层流动由层流状态转变为湍流状 态.湍流边界层流动的摩擦阻力较层流边界层大,但它从物面分离较晚,形成较小的尾流区.钝体绕流的阻 第30卷第12期詹昊,等:不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算131 力主要是压差阻力,所以总阻力明显下降. 0-32 O-3O O.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 O.16 Re 图2St随Re变化曲线 表2计算结果与文献资料的比较 Re 图3cd随Re的变化曲线 典型涡量图及流线图,见图4一图1O.由流线图和涡量图看到:Re--1无分离流动,Re=20的尾流中有 一 对稳定的弗普尔旋涡.Re--100的圆柱后方形成有规律的涡街.随着Reynolds数增大,涡道内部向湍流 过度,直=39oo~M柱中截面涡量图图8Re=10’~柱中截面涡量图 , 一—:;;—乏 . ,,一_一一一 图9Re:10’11tl柱中截面涡量图图1ORe=1圆柱中截面涡量图图llRe=lO5流体质点迹线图图12Re=1流体质点迹线图 3结论 运用F1uent软件可以较准确地仿真计算出圆柱体在不同Reynolds数下的绕流状况.为得到更准确的 结果,需作以下改进: a.增加圆柱的展向网格(圆柱轴线方向)数量,使之充分反映展向周期性变化对阻力计算和脱涡周期计 算带来的影响. b.壁面是涡量和湍流生成的主要来源,近壁网格的处理方式明显影 响数值模拟的结果,可以减小第1 层网格离壁面的距离,减小网格大小增长率.此外考虑来流湍强度或 表面粗糙度等环境因素的更精细的大 涡数值模拟有待进一步研究. 参考文献 [1]张兆顺.湍流[M].北京:国防工业出版社,2002. [2]史里希廷H.边界层理论[M].第7版. 上册 三年级上册必备古诗语文八年级上册教案下载人教社三年级上册数学 pdf四年级上册口算下载三年级数学教材上册pdf .徐燕侯,译.北京:科学出 版社,1988. [3]HermannSchliching.Boundary-layerTheory[M].NewYork:Mcgraw-hillBookCompany,1979. [4]PietroCatalano.NumericalSimulationoftheFlowAroundaCircularCylinderatHighReynoldNumbers[J].International JournalofHeatandFluidFlow,2003,24:463—469. [5]FrankeJ,FrankW.LargeEddySimulationoftheFlowPastaCircularCylinderatRe=3900[J].JournalofwindEngineering andIndustrialAerodynamics,2002,90:1191—1206.