利用FLUENT軟件模擬圓柱繞流

1、利用FLUENT軟件模擬圓柱繞流摘要:使用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT,模擬均勻來流繞固定圓柱的流動，模擬雷諾數(shù)為20,40,100時的繞流流動,得到流場的流函數(shù)等值線圖和速度矢量圖。計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)雷諾數(shù)增加時,流動表現(xiàn)出一系列不同的構(gòu)造。在雷諾數(shù)約為40前后流場有明顯變化。小于這個數(shù)時,存在一對位置固定的旋渦。大于40時,流場開始變得不穩(wěn)定,旋渦擴(kuò)大、脫落、又生成,逐漸發(fā)展成兩排周期性擺動和交錯的旋渦。并與實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果比較，確認(rèn)FLUENT能夠很好地預(yù)測流動結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：圓柱繞流FLUENT軟件雷諾數(shù)1圓柱繞流理論分析研究的狀況一個世紀(jì)以來，圓柱繞流一直是眾多理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值

2、模擬對象。但迄今對該流動現(xiàn)象物理本質(zhì)的理解仍是不完整的。圓柱繞流中，起決定作用的是雷諾數(shù)，但還受到許多因素，如阻塞比，來流湍流度，下游邊界條件等的影響。隨著雷諾數(shù)的增加，粘性不可壓縮流體繞圓柱的流動會呈現(xiàn)各種不同的流動狀態(tài)，在小雷諾數(shù)時，流動是定常的，隨著雷諾數(shù)的增加，圓柱后會出現(xiàn)一對尾渦。當(dāng)雷諾數(shù)較大時，尾流首先失穩(wěn)，出現(xiàn)周期性的振蕩。而后附著渦交替脫落，瀉入尾流形成Karman渦街，隨著雷諾數(shù)的增加，流動變得越來越復(fù)雜，最后發(fā)展為湍流。White1認(rèn)為“圓柱渦流具有經(jīng)典性的重要意義”。一般認(rèn)為圓柱繞流有2種定常的流動圖案:雷諾數(shù)為較小時，圓柱后無尾渦;當(dāng)雷諾數(shù)為較大時，圓柱后有一對對稱的尾

3、渦。關(guān)于定常流失穩(wěn)以及出現(xiàn)湍流的臨界雷諾數(shù)主要是通過應(yīng)用流場顯示技術(shù)觀察流動形態(tài)得到的，所以不是準(zhǔn)確值。對于分界點(diǎn)雷諾數(shù)就有不同的見解,Kovasznay、Roshko等認(rèn)為定常流動失穩(wěn)的臨界雷諾數(shù)大約為40。而從周期性尾流到湍流的詳細(xì)的轉(zhuǎn)變過程的實(shí)驗(yàn)研究似乎還是空白。對均勻來流繞固定圓柱的二維平面流動，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行過大量的研究。決定圓柱繞流流態(tài)的是雷諾數(shù)險(xiǎn))的值，Re5時，流動不發(fā)生分離，5Re4U,在圓柱體后面出現(xiàn)一對位置固定的旋渦；40Rc150,旋渦擴(kuò)大，然后有一個旋渦開始脫落，接著另一個也脫落，在圓柱體后面又生成新的旋渦，這樣逐漸發(fā)展成兩排周期性擺動和交錯的旋渦，即Karman

4、渦街。2150,渦街是層流，150Re300，旋渦由層流向湍流轉(zhuǎn)變。300Re3x105,稱為亞臨界區(qū)。此時，柱體表面上的邊界層為層流，而柱體后面的渦街已完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，并按一定的頻率發(fā)放旋渦。3xl05Re3xlO6,稱為過渡區(qū)。此時，柱體表面上的邊界層也轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，分離點(diǎn)后移，阻力顯著下降,旋渦的發(fā)放不規(guī)則,發(fā)放頻率是寬頻率隨機(jī)的。Re3xlO6稱為超臨界區(qū)。此時，重新建立起比較規(guī)則的準(zhǔn)周期性發(fā)放的渦街。目前，對圓柱繞流的三維數(shù)值研究則不多，然而試驗(yàn)表明，即使均勻來流垂直流過等截面的圓柱體，當(dāng)Re足夠大時,也會呈現(xiàn)三維的流動狀態(tài)。圓柱繞流屬于非定常分離流動問題，在工業(yè)工程中的應(yīng)用非常廣泛，

5、數(shù)值模擬是研究這類問題的有力工具。但是，控制方程的高度非線性以及邊界條件的多樣性嚴(yán)重阻礙了這類問題的解決。到目前為止，有限差分、有限元、大渦模擬(LES)、直接數(shù)值模擬(DNS)等方法都先后被應(yīng)用。但是，這些方法都需要增加網(wǎng)格生成的附加工作，尤其是在遇到復(fù)雜幾何區(qū)域時更需要巨大的網(wǎng)格數(shù)量，大大影響計(jì)算效率。本文利用N-S方程，對固定圓柱繞流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT,選取Re=20,40,100，模擬了圓柱周圍的流場，得到流場的渦量等值線和速度矢量圖,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。2數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法對不可壓縮粘性流體，在直角坐標(biāo)系下，其運(yùn)動規(guī)律可用N-S方程來描述，連續(xù)性

6、方程和動量方程分別為7dx_圓柱周圍的流場利用FLUENT求得，采用有限體積法和SMPLEC算法。3數(shù)值計(jì)算與結(jié)果討論一個無窮長直徑為2.0m的圓面積柱體，放置在無窮遠(yuǎn)來流速度為1.0m/s不受干擾的均勻橫流中,其他參數(shù)如圖1、圖2所示。圖1計(jì)算域雷諾數(shù)由圓柱體直徑和自由來流速度確定。通過改變粘度，得到不同的雷諾值(20,40,100),當(dāng)雷諾數(shù)為100時,試驗(yàn)的Strouhal數(shù)是0.165,tU。邊界條件:進(jìn)口和側(cè)面邊界始終為自由來流條件,流動出口為零法向梯度出口邊界。流體特性假定為常數(shù)，結(jié)果見表1。表1流體特性Re2040100密度P/(kg/m3)111動力粘度口/(Pa2s)0.10

7、.050.02網(wǎng)格示意圖如圖2所示。坤廈術(shù)n丄圖2網(wǎng)格剖分Re=20和Re=40時的流函數(shù)和速度矢量如圖3、圖4、圖5、圖6所示,流動是對稱的。圖3流函數(shù)等值線圖（Re=20）圖4速度向量圖（Re=20）Imtn-iI0*4ILiWirtlIiiUPMMnd.OJiirumIItaa.iJ圖5流函數(shù)等值線圖（Re=40）niLHhi-qi4Me-nrl(W4?圖6速度向量圖（Re=40）tiVlMUD圖7流函數(shù)等值線圖（Re=100）圖8速度向量圖（Re=100）4結(jié)論（1）計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)雷諾數(shù)增加時，流動表現(xiàn)出一系列不同的構(gòu)造。在Re40時,流場開始變得不穩(wěn)定，旋渦擴(kuò)大、脫落、又生成,逐漸

8、發(fā)展成兩排周期性擺動和交錯的旋渦。與實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果比較,確認(rèn)FLUENT能夠很好地預(yù)測流動結(jié)構(gòu)。利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT可以成功地模擬圓柱繞流問題,反映出流動特性?？梢詫Υ笥?00的雷諾數(shù)做進(jìn)一步的研究,探討其機(jī)理。FLUENT應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀FLUENT軟件于1998年進(jìn)人中國市場。FLUENT軟件在我國應(yīng)用的也很廣泛。FLUENT軟件在空氣流場中的應(yīng)用已比較成熟。田鋮等2模擬了地鐵專用軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場；李磊等3模擬了兩種風(fēng)向條件下街區(qū)風(fēng)速分布和CO質(zhì)量濃度的分布情況；楊偉等4計(jì)算了大氣邊界層中單棟高層建筑的定常風(fēng)流場；趙琴5對空調(diào)室內(nèi)的溫度場進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。FLUENT軟件在水

9、流流場中的應(yīng)用不同于單純的空氣流場。水利工程問題邊界復(fù)雜，水氣混摻，存在多個自由水面，需要采用二相流模型，計(jì)算機(jī)模擬的成果還不多。Salaheldin等9對垂直圓墩周圍的三維流場進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬；劉加海等6在水槽中對二維規(guī)則波進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬；韓龍喜等6在環(huán)形水槽中對三維流場進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。Chen等8采用雙方程紊流模型，對階梯溢流壩流場進(jìn)行了三維紊流計(jì)算機(jī)模擬，得出溢流壩沿程的自由水面位置、速度大小和分以及階梯面上的壓力等重要流場特性。刁明軍等9采用VOF法對挑流消能從庫區(qū)到下游水墊塘進(jìn)行了水氣二相流計(jì)算機(jī)模擬，得到射流的空中軌跡線、水墊塘的自由水面和計(jì)算域的壓力、流速、紊動能及紊動能耗散

10、率分布。楊忠超等10結(jié)合向家壩水電工程，采用VOF法和RNG紊流模型對多股多層水平淹沒射流進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)模擬，得出中孔和表孔聯(lián)合泄洪時消力池的流速和紊動能分布。陳云良等11根據(jù)某電站進(jìn)水口1：50模型試驗(yàn)結(jié)果，對進(jìn)水口流場進(jìn)行了計(jì)算，研究來流、復(fù)雜地形邊界等對進(jìn)水口流態(tài)的影響。張挺等12-13對索風(fēng)營電站X形寬尾墩和階梯溢流壩聯(lián)合消能的三維流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，給出壓力特性、流速分布、階梯及墩后水氣兩相流的部分特性。周勤等14對小南海水庫雙彎曲型溢洪道原型流場進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)模擬，得出溢洪道沿程水面線和速度等重要水力參數(shù)。葉茂等15結(jié)合典型工程算例，就復(fù)雜水氣交界面的處理、模型建體和網(wǎng)格劃分等問題作

11、詳細(xì)介紹。羅挺等16以windows2000操作系統(tǒng)和通用CFD軟件工具FLUENT為基礎(chǔ)，研究構(gòu)建了不同的并行計(jì)算硬件平臺的力法，計(jì)算了典型的山谷污染物擴(kuò)散過程的湍流流場?？梢姡現(xiàn)LUENT軟件在水力學(xué)中的應(yīng)用已逐步展開，計(jì)算機(jī)模擬同試驗(yàn)研究相比，具有成本低、方案變化快、無測量儀器干擾、無比尺效應(yīng)和數(shù)據(jù)信息完整等優(yōu)勢，可作為模型試驗(yàn)的有力補(bǔ)充，如進(jìn)水口模型試驗(yàn)在高水位時，無法用常規(guī)儀器測量進(jìn)口周圍的流速，而數(shù)值計(jì)算則可得到全域流場特性。另外，由于其減少了研究者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方而投入的重復(fù)、低效的勞動，將更多的精力和時間投入到考慮問題的物理本質(zhì)，優(yōu)化算法選用，參數(shù)的設(shè)定，因而提高

12、了工作效率，其必然會獲得越來越多的應(yīng)用，應(yīng)用效果也必將越來越好。參考文獻(xiàn)：FrankM.White.ViscousFluidFlowM.McGraw2HillInc,1974.田鋮，張歡，由世俊，等.利用FLUENT軟件模擬地鐵專用軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(一)：對稱翼葉片軸流風(fēng)機(jī)J.流體機(jī)械，2003，31(11):1315李磊，胡非，程雪玲，等FLUENT在城市街區(qū)大氣環(huán)境中的一個應(yīng)用】J中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2004，21(4)：476480.楊偉，顧明.高層建筑三維定常風(fēng)場數(shù)值模擬J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31(6)：647651.趙琴.FLUENT軟件的技術(shù)特點(diǎn)及其在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)J

13、.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2003，23(12)：424425SALAHELDINTM，IMRANJCHAUDHRYMHNumericalmodelingofthreedimensionalflowfieldaroundcircularpiersJJournalofHydraulicEngineering，2003，130(2)：91100劉加海，楊永全，張洪雨，等二維數(shù)值水槽波浪生成過程及波浪形態(tài)分析J.四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2004,36(6)：2831.韓龍喜，WAJWinghong加長型環(huán)形水槽水流特性的數(shù)值模擬J河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003,31(6)：639643.CHENQun，D

14、AIGuangqing，LIUHaowu.VolumeoffluidmodelforturbulencenumericalsimulationofsteppedspillwayoverflowJ.JournalofHydraulicEngineering，2002，128(7)：683688.刁明軍，楊水全，王玉蓉，等挑流消能水氣二相流數(shù)值模擬】J.水利學(xué)報(bào)，2003，9：7782.楊忠超，鄧軍，楊永全，等.多股多層水平淹沒射流數(shù)值模擬研究J水利學(xué)2004，5：3138.陳云良，伍超，葉茂.水電站進(jìn)水口水流12陳云良，伍超，葉茂.水電站進(jìn)水口水流流態(tài)的研究】J.水動力學(xué)研展，2005，20(3)：340345.張挺，伍超，盧紅，等.X型寬尾墩階梯滋流壩流場三維數(shù)值模擬】J水利學(xué)