卡门涡街的计算

卡门涡街的计算

一、现象简述

粘性不可压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、并排列规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性涡街。

卡门涡街的形成与雷诺数有关，雷诺数为40-300时，脱落的涡旋有周期规律，雷诺数大于300，涡旋开始随机脱落，随着雷诺数的增大，涡旋脱落的随机性也增大，最后形成湍流。现通过二维圆柱绕流问题对涡街现象进行数值模拟。

二、模型建立

几何模型建立如下，数值计算中雷诺数为200，即入口速度为

0.031m/s。

圆柱体半径为50mm.

三、创建网格

通过Ansys ICEM CFD进行预处理，生成二维平面网格。

观察发现，圆周周围网格较密，向外逐步变疏，同时圆周围有理想边界层。

四、计算结果

将所生成的网格导入FLUENT，检查网格质量合格后，通过二维求解器求解。因为模型设定雷诺数为200，所以选择层流模式进行流动模拟。默

认空气为默认材料，并采用系统默认的物性参数。进一步定义边界条件，设置速度入口和出流边界。应用SIMPLE速度-压强关联算法，通过二阶迎

风格式计算通量。初始化后，先进行基于压力的定常求解。

而后将上一阶段求解结果作为之后非定常求解的初值进一步求解。

求解结束后生成的涡量云图如下：

计算最后阶段的静压云图如下：

速度云图如下：

五、问题、收获总结

收获：

1、初步了解了ICEM CFD和FLUENT的操作使用

2、简单了解了卡门涡街现象

例如：通过监视升力能看到升力系数随时间不断波动，且波动幅度在

逐步增大，后来渐渐稳定。通过涡量云图看到了涡街的大致形态。并

在定常计算过程中，观察到监控残差在不断的快速上下大幅度波动，

且波动幅度越来越大。

存在的问题：

1、只能大体知晓软件操作流程，对其中的物理意义和数学方法还无法理

解。

2、对于计算所得的数据也是一头雾水

3、软件使用并不熟练。

例如：

监控升力画出的曲线是可以以图片格式导出的（write）,可是我在一开始的操作过程中并没有这样做，导致最后找不到曲线图。

最开始使用FLUENT，不会按时间间隔导出数据，导致最后只能显示第200个时间间隔的数据，最后不得不重新计算。

像这样，还如诸多问题，有待解决。

六、相关理论学习及遇到的问题

1、雷诺数是表征粘性影响的物理量，其大小决定了粘性流体流动特性。

雷诺数小于2000时，流体是层流，大于4000，为湍流，2000到4000

之间为过渡阶段。周期性卡门涡街对应的雷诺数为40-300。

2、除三类流动（准定常流动、流场变化速率很快的流动和流场变化速度

极快的流动）外某些状态反复出现的流动也被认为是非定常流动，例

如，脉流动（流场各点的平均速度和压强随时间周期性波动）。而卡门

涡街就属于脉流动的一种。

3、该算例雷诺数等于200条件下，涡脱落的周期是25秒。

4、涡量是流体速度矢量的旋度，是描写旋涡运动常用的物理量。

问题

1、每次脱落的一对涡有哪些异同？

2、涡是不是不能单独一个出现？

3、涡的定义与结构是什么？