用FLUENT模拟不同排列下的双柱绕流流场

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3 计算结果分析
(1)无论双柱以上述哪种方式排列 ,其尾流形成的旋涡脱 落都呈现一定的周期性 。并列时 ,间距比为 10 cm /4 cm = 2. 5, 大于临界间距比 2. 2[6 ] ,双柱有各自的尾流 ,旋涡脱落对称且 呈反相 ,上 、下两圆柱水平分速相等 ,竖直分速大小相等 、方向 相反 。串列时 ,间距比为 2. 5,在区间 ( 1. 1, 3. 5)内 [7 ] ,上游圆 柱尾流仅形成一对稳定的对称旋涡 ,旋涡没有发放迹象 ,附着 于下游柱 ,边界层在下游柱背面分离 。将双柱并 、串列涡量分 布及速度矢量图以及图 3、图 4与文献 [ 3, 5, 7 ]中结果对比 ,可 以看出数值模拟结论一致 。
[ 3 ] 徐元利 ,徐元春 ,梁兴 ,等. FLUENT软件在圆柱绕流模拟中的应用 [ J ]. 水 利电力机械 , 2005, 27 (1) : 39 - 41.
[ 4 ] 费宝玲 ,郑庭辉 ,杨骏六. 数值分析串列双圆柱绕流 [ J ]. 西南民族大学学 报 , 2007, 33 (2) : 376 - 380.
【水利水电工程 】
用 FLUENT模拟不同排列下的双柱绕流流场
杨纪伟 ,滕丽娟 ,郑薇薇 ,李书芳
(河北工程大学 ,河北 邯郸 056038 )
摘 要 :采用流体软件 FLUENT从改变两圆柱中心连线与流向夹角的角度出发 ,模拟雷诺数为 200、夹角为 90°(并列 ) 、 30°、45°、60°、0°(串列 )时的绕流流场 。双柱串 、并列旋涡分布规律与已有研究成果一致 ,串列双柱中心线流速与试验结 果基本吻合 ,通过模拟进一步分析了夹角变化对流场的影响 , FLUENT模拟较为成功 。 关 键 词 : 圆柱 ; 夹角 ; 绕流流场 ; 旋涡分布 ; FLUENT 中图分类号 : TV143 文献标识码 : A 文章编号 : 100021379 (2009) 0320074202
第 31卷第 3期 人 民 黄 河 Vol. 31 , No. 3 2009年 3月 YELLOW R IVER Mar. , 2009
[ 5 ] 邓见 ,黄钰期 ,任安禄. 分块法研究圆柱绕流升阻力 [ J ]. 力学与实践 , 2004, 26 (1) : 24 - 26.
[ 6 ] 陈文曲. 二维串并列圆柱绕流与涡致振动研究 [D ]. 杭州 :浙江大学 , 2005. [ 7 ] 戴绍仕. 孤立圆柱及串列圆柱水动力学数值实验研究 [D ]. 哈尔滨 :哈尔滨
+
v
9v 9y
=
μ ρ
(
92 92
u x
+
92 92
u) y
-
1 ρ
9p 9y
(3)
式中 : x为与无穷远处来流平行的水平方向坐标 ; y为与无穷远
处来流垂直的竖直方向坐标 ; u、v为流场中沿 x方向和 y方向的
速度 ; p、t分别为压强和时间 。
1. 3 边界条件
两圆柱表面采用壁面边界条件 ,即无滑移条件 ;上 、下边界
收稿日期 : 2008206228 作者简介 :杨纪伟 (1960—) ,男 ,河北永年人 ,教授 ,主要研究方向为水力学 、河 流动力学 。 E2m ail: yangjw@ hebeu. edu. cn
第 3期 杨纪伟等 :用 FLUENT模拟不同排列下的双柱绕流流场
1 数值模拟
1. 1 计算工况
进行二维数值模拟时 ,取双柱中心连线与流向夹角分别为 90°、60°、45°、30°、0°。特征参数如下 :来流速度 U = 0. 005 m / s, 流体的密度 ρ = 1 000 kg/m3 ,运动黏性系数 ν = 1 cm2 / s,圆柱 直径 D = 0. 04 m,则雷诺数 R e = 200,固定圆柱中心间距为 0. 1 m ,前柱中心距进口为 0. 2 m、两柱中心距上 、下边界等距 ,计算 单元全长 1 m、宽 0. 6 m ,夹角为 30°的计算区域见图 1 (其他情 况类似 ) 。
工程大学来自百度文库, 2004.
【责任编辑 张华岩 】
应用流体软件 FLUENT可得到双柱中心连线与流向夹角 分别为 90°、60°、45°、30°、0°时涡量分布及速度矢量图 。在标 准对比状态下定义 3 条直线 : 通过上方圆柱中心的水平直线 L1 ,通过下方圆柱中心的水平直线 L3 , 通过计算区域中心的水 平直线 L2。直线上的速度分量见图 2～图 6。
(2)双柱并列产生旋涡数量最多 ,整个流场受扰动最大 。 随夹角变小 ,下方圆柱的旋涡脱落受到抑制 ,生成旋涡数量减 少 ,流场受到的扰动变小 ,脱落的旋涡也越来越小 。串列时生 成旋涡数最少 ,在两个方向的速度分量也都最小 。
( 3) 区域中心线水平分速 U2 在双柱并列时最大 ,随夹角变 小到 45°时 U2随之变小 ,但均为正值 ,当夹角为 30°时水平分速 U2 变负 ,在下游圆柱背面所对应的区域中心位置出现回流 , 见 图 4、图 5。此外由图 4还可以看出 , 45°夹角对应的两圆柱背面 尾流回流速度 U1 (上方圆柱 ) 、U3 (下方圆柱 ) 最大 。区域中心 线竖直分速 V2 在双柱并列时为 0,随夹角变小 V2 增大 (接近于 串列状态的夹角除外 ) ,但区域中心线上的竖直分速 V2 总小于 两圆柱中心线上的竖直分速 V1 (上方圆柱 ) 、V3 (下方圆柱 ) 。图 6进一步表明双柱串列流速的模拟值和试验值基本吻合 , 应用 FLU EN T软件在同一模型下使用相同的分块网格生成法进行 数值计算可行 、有效 。
处采用周期性边界条件 ;出口处为流量出口条件 ;进口处采用
速度进口边界条件 , u = 0. 005 m / s, v = 0 m / s。
1. 4 算法设计
对控制方程式 (1) ～式 (3)采用有限体积法 ( FVM )进行离
散 ,压力采用二阶离散格式 ,动量采用二阶迎风格式 ,压力与速
度耦合采用 SIM PLE算法 。计算时间步长取 0. 5 s,在每个时间
参考文献 :
[ 1 ] 焦爱萍 ,张耀先. 桥墩局部冲刷分析及防护对策 [ J ]. 人民黄河 , 2003, 25 (7) : 21 - 22.
[ 2 ] Zdravkovich M M. Review of flow interferences between two circular cylinders in various arrangem ents [ J ]. Journal of Fluids Engineering, 1977, 99: 618 - 632.
图 1 30°夹角计算区域
1. 2 控制方程
研究对象为不可压缩层流 [2 ] ,在二维直角坐标系下 ,其运 动规律可用 N - S方程来描述 :
9u 9x
+
9v 9y
=0
(1)
9u 9t
+
u
9u 9x
+
v
9u 9y
=
μ ρ
(
92 92
u x
+
92 92
u) y
-
1 ρ
9p 9x
(2)
9v 9t
+
u
9v 9x
河道建桥通常采用圆柱桥墩 ,但大多数情况下桥不是垂直 穿过河道断面的 ,而是存在一个桥河交叉角 ,交角不同会导致 桥墩周围流场不同 ,对此可以通过数值模拟来捕捉圆柱绕流流 场的变化 [1 ] 。 Standsby P K用离散涡方法研究了并排 、串列和 交错放置的双圆柱绕流问题 ; Slaoutiand A 和 Standsby P K利用 随机涡方法计算了不同间距雷诺数 R e = 200时的串 、并列双圆 柱流场 [2 ] 。而笔者直接使用流体软件 FLUENT,在二维流场中 模拟双圆柱间距固定 (6 cm ) 、圆柱中心连线与流向成不同夹角 的绕流状态 ,同时对比其他学者的研究结果 [3 - 4 ] ,分析区域中 心线上的流速试验值 ,验证了 FLUENT流体软件解决该问题的 有效性和可行性 。
步内设置迭代次数为 20。
1. 5 网格生成
为了在圆柱表面生成正交性良好的结构化网格 ,这里在
GAMB IT中分块生成网格 [5 ] ,计算区域被分成 17块 (见图 1 ) 。
不同夹角工况下整个计算区域生成的网格数均为 15 000 个
左右 。
2 计算结果
为了对比不同桥河交角对双柱周围流场的影响 ,定义某一 时刻旋涡自上方圆柱上侧和下方圆柱下侧脱落的状态为标准 对比状态 。