单圆柱绕流数值模拟

目录
1. 实验目的及原理 (2)
1.1实验目的 (2)
1.2 实验原理 (2)
2. 物理现象描述 (3)
3. 数值模型描述 (3)
3.1计算域 (3)
3.2 边界类型 (3)
4.前处理 (3)
4.1 Gambit软件介绍 (3)
4.2网格绘制 (5)
5.求解设置 (5)
5.1 Fluent软件介绍 (5)
5.2 计算过程 (7)
6.后处理 (7)
6.1 云图显示 (7)
6.2 升力系数 (9)
6.3 拖曳力系数 (10)
6.4 斯托哈尔数 (10)
7. 总结体会 (11)
1. 实验目的及原理
1.1实验目的
（1）通过上机实验掌握计算流体力学中前处理、计算设置、后处理的基本流程，为后期船舶原理、船舶设计原理等课程的学习奠定基础。

（2）通过对单圆柱绕流的数值模拟，进一步理解流体力学理论课中的各项知识点，如边界层、湍流、圆柱绕流、卡门涡街、雷诺数、涡旋形式等。

1.2 实验原理
对于静止圆柱绕流，本文研究对象为二维不可压缩流动。

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:
01()()i i
i i i j j
i j j u x u u P u u t x x x x νρ∂⎧
=⎪∂⎪⎨
∂∂∂∂∂⎪+=-+⎪∂∂∂∂∂⎩
其中u i 为速度分量；p 为压力；ρ为流体的密度；ν为流体的动力黏性系数。

对于湍流情况，本文采用RNG k ⁃ε模型，RNG k ⁃ε模型是k ⁃ε模型的改进方案。

通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响， 而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除。

所得到的 k 方程和ε方程，与标准k ⁃ε模型非常相似，其表达式如下：
212()()()G ()()()G i k eff k i j j
i eff k i j j ku k k t x x x u C C t x x x k k εεε
ρραμρερεερεεε
αμρ∂∂∂∂⎧
+=++⎪∂∂∂∂⎪⎨∂∂∂∂⎪+=+-⎪∂∂∂∂⎩
其中Gk 为由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项，
2
eff
t t C k ρμμμμμε
=+=， 经验常数
1C ε
=0.084 5，
k α=εα=1.39，2C ε=1.68。

相对于标准模型，RNG k-ε
模型通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况，RNG k-ε模型可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。

2. 物理现象描述
黏性流体绕流圆柱时，其流场的特性随着Re 变化，当Re 为10左右时，流体在圆柱表面的后驻点附近脱落，形成对称的反向漩涡。

随着Re 的进一步增大，分离点前移，漩涡也会相应的增大。

当Re 大约为46时，脱体漩涡就不再对称，而是以周期性的交替方式离开圆柱表面，在尾部形成了著名的卡门涡街。

涡街使其表面周期性变化的阻力和升力增加。

3. 数值模型描述
3.1计算域
单圆柱直径0.1m ，流场范围3m 宽×4m 长，近流场1m×1m 。

（-1500,1500）
（-1500,-1500）
（2500,-1500）
（2500,1500）
（500,500）
（500,-500）
（-500,-500）（-500,500）
3.2 边界类型
边界条件设置如下：左侧为速度入口（velocity-inlet ），u=U （U 为来流速度），v=0，湍动能k=0.001U2，耗散率ω=1；出口为压力出口（pressure-outlet ），相对压力为0，k=0，ω=0；上下边界采用速度同来流速度的滑移边界（wall ），；圆柱采用无滑移边界（no-slip wall ）。

4.前处理
4.1 Gambit 软件介绍
Gambit 是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（CFD)模型和其他科学应用而设计的软件包。

Gambit 通过其用户界面(GUI)来接受用户的输入。

GanmbitGUI 简单而又直
接地做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，这对很多的模型应用已经足够了。

面向CFD分析的高质量前处理器的主要功能包括几何建模和网格生成。

由于Gambit本身所具有的强大功能，以及快速的更新，在目前所有的CFD前处理软件中，Gambit稳居上游。

Gambit软件具有以下特点：
（1）ACIS内核基础上的全面几何建模能力，通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力，ACIS内核已提高为ACIS12。

该功能大大领先于其他CAE软件的前处理器。

（2）可对自动生成的Journal文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网络。

（3）可以导入Pro/Engineer、UG、CATIA、SolidWorks、ANSYS、Patran 等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格。

导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证Gambit与CAD软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量。

（4）新增Pro/Egineer、CATIA等直接接口，使得导入过程更加直接和方便。

（5）强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度。

（6）G/Turbo模块可以准确而高效地生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网络。

（7）强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。

Gambit中专门的网格划分算法可以保证在复杂的集合区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格。

（8）先进的六面体核心（HexCore）技术是Gambit所独有的，集成了笛卡尔网络和非结构网络的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量，提高网格质量。

（9）居于行业领先地位的尺寸函数（Size function）功能，使用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，
最大限度地满足CFD分析的需要。

（10）Gambit可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网络连续的完全非结构化的混合网格。

（11）可为FLUENT、POL YFLOW、FIDAP、ANSYS等解算器生成和导出所需要的网格和格式。

4.2网格绘制
建立半径为50cm的圆形面、建立边界点并连线、对每条边界进行一定比例的划分，对应点连成网格。

计算区域采用分块结构化网格，共有22325个节点，44235个网格面和22000个网格单元。

具体网格绘制如图1所示：
图1 圆柱绕流计算区域网格划分
5.求解设置
5.1 Fluent软件介绍
2006年5月，FLUENT成为全球最大的CAE软件供应商——ANSYS大家庭中的重要成员。

所有的FLUENT软件都集成在ANSYS Workbench环境下，共享先进的ANSYS公共CAE技术。

FLUENT是ANSYS CFD的旗舰产品，ANSYS加大了对FLUENT核心CFD 技术的投资，确保FLUENT在CFD领域的绝对领先地位。

ANSYS公司收购FLUENT以后做了大量高技术含量的开发工具，具体如下：
●内置六自由度刚体运动模块配合强大的动网格技术。

●领先的转捩型精确计算层流到湍流的转捩以及飞行器阻力精确模拟。

●非平衡壁面函数和增强型壁面函数加压力梯度修正大大提高了边界层回
流计算精度。

●面体网格技术大大减小了网格量并提高计算精度。

●密度基算法解决高超音速流动。

●高阶格式可以精确捕捉激波。

●噪音模块解决航空领域的气动噪音问题。

●非平衡火焰模型用于航空发电机燃烧模拟。

●旋转机械模型加虚拟叶片模型广泛用于螺旋桨旋翼CFD模拟。

●先进的多相流模型。

●HPC大规模计算高效并行技术。

在目前的CFD市场上，FLUENT以其在非结构网络的基础上提供丰富的物理模型而著称，主要有以下特点：
（1）完全非结构化网格。

（2）先进的动/变形网格技术。

（3）多网格支持功能。

在FLUENT软件当中，有两种数值方法可以选择：基于压力的求解器和基于密度的求解器。

FLUENT软件包括丰富而先进的物理模型，具体有以下几种：
（1）传热、相变、辐射模型。

（2）湍流和噪音模型。

（3）化学反应模型。

（4）多相流模型。

FLUENT的独有特点：
●FLUENT可以方便的设置惯性或非惯性坐标系、复数基准坐标系、滑移
网格以及动静翼相互作用模型化后的接续界面。

●FLUENT内部集成丰富的物性参数数据库，里面有大量的材料可供选用。

此外用户可以非常方便地定制自己的材料。

●高效的并行计算功能提供多种自动/手动区分算法；内置MPI并行机制大
幅度提高并行效率。

另外，FLUENT特有的动态负载平衡功能确保全局
高效并行计算。

●FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口
（UDF）。

FLUENT软件后置处理和数据输出，可对计算结果进行处理，生成可视化的图形及给出的相应曲线、报表等。

5.2 计算过程
读入并检查网格、设置求解器参数、定义材料物性、设置区域条件、设置边界条件。

求解计算：求解控制参数、设置求解松弛分子、设置收敛临界值、设置流场初始化、迭代计算。

计算过程如图2、图3 所示：
图2 圆柱绕流计算过程
图3 圆柱绕流计算过程
6.后处理
6.1 云图显示
图4 t=3s
图5 T=xxs
图6 t=39s
图7 t=39.6s
图8 t=40s
图9 t=40.3s 6.2 升力系数
10
20
30
40
50
-0.004
-0.003-0.002-0.0010.0000.0010.0020.0030.004
升力系数 C L
时间 t/s
图10 升力系数曲线图
6.3 拖曳力系数
阻力系数C d
时间 t/s
图11 拖曳力系数曲线
6.4 斯托哈尔数
ƒst D St U =
=0.25
0.698
0.1⨯=0.279
7.总结体会
通过本次上机操作实习，我对流体力学的知识有了更深的了解，使用流体力学软件进行的流动模拟可以更加直观的了解流体流动形态，也能更加的深入理解课堂的理论知识，同时也会增加同学对流体力学这门课程的喜爱。

这次的上机实操中，初步接触并学习了FLUENT、Gambit、Origin软件的使用方法。

尤其是FLUENT可以直观模拟多形态流体运动状态，对于船舶设计专业来说，可以灵活运用FLUENT软件模拟船舶在各种状态流体中运动。

能更好的研究设计船舶的性能，对完善船舶设计有很大作用。

11。