基于FLUENT的并列双圆柱绕流二维数值模拟分析

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基于FLUENT的并列双圆柱绕流二维数值模拟分析

胡锦鹏罗森

(重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331)

摘要：为研究双圆柱在不同距径比(L/D)工况下的绕流，运用FIUENT软件模拟低雷诺数下的双圆柱绕流中表面压力系数的分布和升力系数、阻力系数的变化规律。通过数值模拟分析表明：双圆柱表面随着L/D的增大两圆柱柱后涡街将由耦合涡街逐步转化为单圆柱绕流时的卡门涡街，两柱对绕流的影响减弱；随着UD的增加，两柱之间的相互作用减小，升力系数和阻力系数都逐渐降低。通过对不同I7D工况下的对比分析，为圆墩抑制双圆柱绕流的设计提供一定意义的参考。

关键词：fluent;双圆柱；绕流;数值模拟

中图分类号：035文献标识码:A文章编号:2096-4390(2019)02-0046-02

多柱绕流问题在海洋工程、跨江跨河桥墩、以及涉水建筑物基础等领域有广泛的应用。水流经过多圆柱会产生旋涡，旋涡的脱落使各个圆柱之间有相互干扰作用,其流场特征与圆柱的受力与单圆柱绕流有明显不同叫因此研究多圆柱绕流的流场特征分析与圆柱受力状态研究对于涉水工程应用具有重要的意义。

多柱与之单柱绕流相比,多柱绕流受墩柱数量、排列方式、柱间距离、流体速度等因素影响，其流场特性、涡街形态更加复杂，加之在波、浪、流等耦合作用下极易发生相互干扰造成桩柱严重损伤及破坏。基于此，采用FLUENT有限元软件，建立双圆柱绕流模型研究其在不同距径比(两圆柱中心距与圆柱直径之比)下分析圆柱绕流的阻力系数、升力系数、分离点位置及流场变化规律,为后续涉水基础中的双圆柱绕流问题的研究提供理论依据。

1绕流相关参数

绕流的相关参数主要有雷洛数Re、斯托罗哈数St、升力系数G和阻力系数C“下面给出各个参数的计算公式和物理意义。

1.1雷洛数Re

圆柱绕流的状态和雷诺数有很大关系，雷诺数代表惯性力和粘性力之比：Re=四=巴

“u(1)式中:P为流体的密度;U为自由来流的平均速度;L为结构的特征尺寸(圆柱取直径D)屮为流体粘性系数；”=上为流体的运动学粘性系数。121P

1.2斯托罗哈数St

Strouhal指出圆柱绕流后在圆柱后面可以出现交替脱落的旋涡,旋涡脱落频率、流速、圆柱直径之间存在一个关系：

st=—

U(2)式中:St为斯托罗哈数，取决于结构的形状断面;f,为旋涡脱落频率;D为结构的特征尺寸(圆柱取直径D)；U为来(转下页)

能够使小鼠的血脂下降,从而起到防止AS的作用。同时发现枸杞色素可以使低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)、血清甘油三酯(TG)及总胆固醇(TC)的含量减少，因此枸杞中色素能够拮抗高血脂症患者的血脂上升和脂质的不易还原。

同时枸杞色素具有血管内皮细胞的保护作用，研究发现，受损伤的细胞的G0/G1比率和凋亡率可以通过枸杞中的花色昔来下降，升高其G2/M的比率和S期的细胞比率，发现被过度氧化且低密度的脂蛋白所损伤的人体静脉的内皮细胞可以被存在于枸杞中的花色苛所保护和修复叫

枸杞色素不但能明显地增强机体的特异性免疫的作用，并且能够提高非特异性免疫的作用。经实践证实枸杞色素能够明显地提高T、B淋巴细胞的数量、红细胞的免疫黏附作用及其雏鸡血清的HI抗体能力，说明了枸杞色素对于雏鸡的特异性免疫及体液免疫的疗效有明显的加强能力冋。枸杞色素还具有抗疲劳、抗肿瘤、提高视力及生殖能力等作用。

2.3多酚类。多酚类是植物中一组含有多个酚羟基团的化学元素的总称。多酚类物质可以起到很好的还原作用。富含酚羟基的物质在世界上也被称为“第七种营养物质”。此中主要活性物质为多酚类物质，多酚类物质为植物成分的分子的结构式中含有多个酚轻基团统称，主要是单宁类、黄酮类、花色昔类以及酚酸类等成分，均是可以保证健康的一类化合物。枸杞叶子中主要黄酮类物质是芦丁，同样芦丁含量最丰富的部位也是枸杞叶子。尽管芦丁存在于野生或者栽培的枸杞果实中的含量少之又少，然而黄酮类化合物的总含量相比于野生枸杞叶,栽培的枸杞叶子总含量高出很多。

2.4其他化合物。枸杞中主要的含氮物质是氨基酸和蛋白质，此外还含有多种氨基酸、Mg、Mn、Se、Zn多种金属离子、粗脂肪、脂肪酸等，同时还含有多种小分子物质,例如P-香豆酸、各种维生素和脑昔等。其他成分包括菜油；胆苗烷醇;天门冬素、當醇、胆當-7-烯醇;2,4-乙基胆苗-5烯-3(3醇等。

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流速度。1.3升力系数、阻力系数C =丄1 pU 2D ⑶式中：G 、G 分别为升力系数、阻力系数;幵卫分别为单位长 度结构(圆柱)上的升力和阻力;P 为水的密度。冋2并列双圆柱数值模型将直径为D=20mm 的两个圆柱置于400mmx600mm 的流场 当中，两柱之间的距离为L,圆柱离入口距离为100mm,离两边 边界距离为200mmo 流场网格采用六面体划分，为提高计算精度离柱越近网格 越密集，进口水流速度为O.lm/s,圆柱直径为0.02m,选择非定 常模型,计算步长取0.05s 。采用压力基求方式求解,粘性方程采 用层流方程,动量方程和压力均采用二阶迎风差格式。3并列双圆柱数值模拟结果分析3.1流场随间距变化的规律图1不同距径比下的圆柱绕流的涡量云图I7D=1.5时，从流场矢量图中可以看出，两个圆柱体的尾迹基 本混在一起，近似于一条街。|4|I7D=2时柱后面的涡街出现了分 离情况，并且两圆柱柱后的涡街相互对称，形成双稳态流动区。 两柱间流线密集，流速减小，且存在堵塞作用两圆柱旋涡脱落 频率相同，相位相反。UD=3时两个柱子之间的相互影响继续减 小，可以想象随着两柱间距离不断增大,两圆柱柱后涡街将由 耦合涡街逐步转化为单圆柱绕流时的卡门涡街,两柱间将不会 有任何抑制作用。3.2圆柱升力系数和阻力系数分析052061

05

0 49

0 48

0515

图中可以看出距径比较小的时候,阻力系数较大，随着距径

比的增加,阻力系数逐渐减小。这是因为随着距径比的增大，两

柱内侧剪切层相互作用减小，其流速间隙流速度迅速增大，发生 较大的偏转，导致圆柱后侧的负压增大，从而压力减小,从而致

使其阻力系数降低叫

图中可以看出，当I7D=1.5的时候升力系数最大，随着柱径 比的增加升力系数逐渐降低。因为当两柱间的距离很小的时候，

水流的流通被阻挡，使柱子内侧的作用力较大,随着两柱的距离 增大，对水流的阻碍作用降低，于是圆柱表面的压力也随之减

小,从而导致柱子间的升力系数减小。从而可以推想，当距径比 增大到一定的程度时，两柱间的相互作用会基本消失，其升力系 数与单圆柱一致。4结论与建议

4.1对于并列双圆柱来说，在I7D=1.5时，两柱体后方产生单 一的大尺度漩涡脱落现象，在I7D=2时，下游会出现反向同步的 漩涡脱落，流动呈镜面对称,其脱落频率相同,相位相反。I7D=3 时，随着两柱间距加大，相互之间的影响进一步减小，其涡街分

离类似于两条单圆柱涡街。随着间距比的增大，两柱柱面后的

流动将与单圆柱静止绕流流动的旋涡脱落相同，互不干扰。

4.2对于并列双圆柱来说,随着距径比的加大，阻力系数逐 渐下降，升力系数减小，随着间距的增大,两柱间的相互影响逐 渐降低，两柱的升力系数阻力系数逐渐接近于单柱绕流。

4.3本研究只考虑双圆柱墩的距径比工况下的绕流分析，要 想更加清楚的了解双柱绕流还需考虑水流速度、柱子形状、水

流方向变化等多因素影响。参考文献[1] 贾晓荷，刘桦.双圆柱绕流的大涡模拟[J].水动力学研究与进展 A 辑,2008(6):625-632[2] 毕继红，任洪鹏,丁代伟，于会超.串列双圆柱静止绕流的二维 数值仿真分析[J].工程力学,2012,29(S 1):8-11,19.[3] 孙路,刘晚成，赵锐.解析静力法确定门式刚架的临界荷载[J]. 低温建筑技术,2009,131 (5):67-68[4] 廖俊，景思睿.高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟[J].水动力学

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基金项目：重庆科技学院研究生科技创新计划项目 (YKJCX1720603),2018年大学生科技创新训练计划项目 (2018109)o

作者简介：胡锦鹏(1993-),男，重庆科技学院在读硕士，主 要从事建筑物水毁的研究。

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170=15l/D=2 UD=3

(b)阻力系数

图2

不同距径比下的圆柱绕流升力系数和阻力系数