利用FLUENT軟件模擬圓柱繞流

1、利用FLUENT件模擬圓柱繞流摘 要：使用計算流體力學(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。并與實驗及數(shù)值 模擬結(jié)果比較，確認(rèn)FLUENT它夠很好地預(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、

2、實驗研究及數(shù)值模擬對象。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。White 1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；

3、當(dāng)雷 諾數(shù)為較大時，圓柱后有一對對稱的尾渦。 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 程的實驗研究似乎還是空白。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)（Re）的值，Re <5時，流動不發(fā)生分離，5<Re<40， 在圓柱體后面出現(xiàn)一對位置固定的旋渦； 40 c Re <150，旋渦擴(kuò)大，然后有一個旋 渦開

4、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渦街。 Re <150，渦街是層流，150 < Re < 300， 旋渦由層流向湍流轉(zhuǎn)變。5300 <Re<3x10，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。3105 <Re<3x106，稱為過渡區(qū)。此時，柱體表面上的邊界層也轉(zhuǎn)變?yōu)橥?流，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。Re < 3x 106稱為超臨界區(qū)。此時，重新建 立起比

5、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，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，大大影響計算效率。本文利用N-S方程，對固定圓柱繞流進(jìn)密度 p /(kg/ m

6、3)111動力粘度 m / (Pa 2s)0.10.050.022數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法3數(shù)值計算與結(jié)果討論一個無窮長直徑為* 2.0m的圓面積圖1 計算域雷諾數(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),UDRe=廠，當(dāng)雷諾數(shù)為DS邊界條件：進(jìn)口和側(cè)面邊界始終為自由來流條件U8 = 1.0m/s ,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行了三維數(shù)值模擬，利用計算流體力學(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，并與實驗結(jié)

7、果進(jìn)行了比較。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)性方程和動量方程分別為=0xj1圓柱周圍的流場利用 FLUENT求得，采 用有限體積法和SMPLE算法。柱體,放置在無窮遠(yuǎn)來流速度為1.0 m/ s 不受干擾的均勻橫流中，其他參數(shù)如圖1、圖2 所示。100 時，試驗的Strouhal網(wǎng)格示意圖如圖2所示。圖3流函數(shù)等值線圖（Re = 20）國土% 、1矛心己也j '2數(shù)是0.165通盅迎ii £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。速度向量圖（Re = 20）H IA BT

8、fISAMnVta-H圖5流函數(shù)等值線圖（Re = 40）“Xp n»-UT<1 iwbj i*01Il W41BBMKJI圖6 速度向量圖（Re = 40）BWW ill?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Re < 40時，存在一對位置固定的旋渦。Re> 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。 與實驗及數(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)。（2）利用計算流體力學(xué)軟件 FLUENT可

9、以成功地模擬圓柱繞流問題，反映出流動特 性。（3）可以對大于100的雷諾數(shù)做進(jìn)一步 的研究，探討其機(jī)理。FLUENT用發(fā)展現(xiàn)狀FLUENT軟件于1998年進(jìn)人中國市場。 FLUENT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。 田鉞等 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)行了計算機(jī)模 擬。FLUENT軟件在水流流場中的應(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

10、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 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算域的壓力、流速、紊動能及紊動能耗散率分布。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

11、射流進(jìn)行三維計算 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模型試驗結(jié)果，對進(jìn)水口流場 進(jìn)行了計算，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)格劃分等問題作詳細(xì)介紹。羅挺等16以windows2000操作系統(tǒng)和

12、通用 CFD軟件工具FLUENT為基礎(chǔ)，研究構(gòu)建了不 同的并行計算硬件平臺的力法，計算了典型的山谷污染物擴(kuò)散過程的湍流流場。可見，F(xiàn)LUENT軟件在水力學(xué)中的應(yīng)用已 逐步展開，計算機(jī)模擬同試驗研究相比，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，可作為模型試驗的有力補(bǔ)充，如進(jìn)水口模型試驗在高水位 時，無法用常規(guī)儀器測量進(jìn)口周圍的流速， 而 數(shù)值計算則可得到全域流場特性。 另外，由于 其減少了研究者在計算方法、 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，因而提高了工作效率， 其必然會獲得

13、越來越多的應(yīng)用，應(yīng)用效果也必將越來越好。參考叉獻(xiàn)：1 Frank M. White. Viscous Fluid FlowM. McGraw2Hill Inc ,1974.2 田鉞，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): 13- 15.3 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，2004, 21 (4): 476-480.4 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，2003, 31 (6): 647 一 65

14、1 .5 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.計算機(jī)應(yīng)用，2003, 23 (12): 424 - 425.5 SALAHELDIN T M, IMRAN J . CHAUDHRY M H. Numericalmodeling of three dimensional flow field aroundcircular piers J. Journal of Hydraulic Engineering , 2003, 130 (2)： 91 -100.:6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： 工程科學(xué)版，200

15、4, 36 (6): 28 - 31.7 韓龍喜， WAJ Wing-hong . 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：自然 科學(xué)版，2003, 31 (6): 639 -643.8 CHEN Qun DAI Guang qing , LIU Hao wu . Volume offluid model for turbulence numerical simulation of steppedspillway overflow J . Journal of Hydraulic Engineering , 2002, 128 (7)： 683- 688.9 刁明軍，楊水全，王玉

16、蓉，等.挑流消能水 氣二相流數(shù)值模擬:J .水利學(xué)報，2003 , 9: 77 -82.10 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: 31 - 38.11 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): 340 - 345.13 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)報，2004, 8 : 15-20.:14 ZHANGTing , WUChao, LIAO Hue-sheng, et al . 3Dnumerica

17、l simulation on water and air two phase flows ofthe steps end flaring gate pierJ. Journal of Hydrodynamics : Ser. B,2005, 17 (3): 338 -343.15 周勤，伍超，趙元弘，等."S"型溢洪 道水流特性試驗與數(shù)值模擬研究:J.水力發(fā)電學(xué) 報，2005, 24 (3): 88- 92.16 葉茂，伍超，陳云良，張挺，周勤. FLUENT軟件在水利工程中的應(yīng)用J.水利水電科技進(jìn)展，2006, 26 (3): 78 - 81.Abstract : Un

18、iform flow around a mounting cylinder is simulated with the application of FLUENT software while Reynoldsnumber is 20 ,40 ,100. Stream function and velocity vector distributionsare indicated. The resultsshow that a series of construction appears as Reynolds number increases.When Re is around 40 , flow pattern changes :there is a pair of mount2ing vortex with Re less than 40 ;on the contrary it