詹 昊 李萬平 李龍安

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司1) 武漢 430050)

(華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院2) 武漢 430074)

流體繞過鈍體時(shí),鈍體表面邊界層在逆壓梯度下分離,在一定的雷諾數(shù)范圍形成規(guī)則的旋渦結(jié)構(gòu),產(chǎn)生順氣流方向和垂直氣流方向的作用力,易發(fā)生渦激振動(dòng),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷或疲勞破壞.目前工程上主要采取機(jī)械措施(設(shè)置阻尼器)、空氣動(dòng)力學(xué)措施(改變結(jié)構(gòu)氣動(dòng)外形)和來抑制渦激振動(dòng).機(jī)械措施所需成本及后期維護(hù)費(fèi)用很高;氣動(dòng)力措施在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下改變結(jié)構(gòu)氣動(dòng)外形,幾乎無需增加成本及費(fèi)用,因此氣動(dòng)截面選型顯得十分重要.

對(duì)正方形截面的氣動(dòng)力性能已有大量的研究[1-2],但對(duì)于具有不同切角形狀的正方形和長(zhǎng)方形截面的氣動(dòng)力性能研究相對(duì)很少,可以參見H·Kawai,Tetsuro Tam ura,C·W·Park風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[3-5].本文通過數(shù)值仿真計(jì)算研究了正方形截面、切角正方形截面、圓角正方形截面的氣動(dòng)力性能,并與文獻(xiàn)值進(jìn)行了比較.

1 邊界層分離

邊界層中的流體質(zhì)點(diǎn)受慣性力、粘性力和壓力的作用.其中粘性力阻滯流體運(yùn)動(dòng),壓力作用取決于繞流物體的形狀,順壓梯度(d p/d x＜0)有助流體加速前進(jìn),而逆壓梯度(d p/d x＞0)阻礙流體流動(dòng),邊界層分離示意圖如圖1所示[6].

圖1 邊界層分離示意圖(S為分離點(diǎn))

在逆壓梯度區(qū),流體運(yùn)動(dòng)時(shí),除克服粘性阻力外,還要克服壓差阻力,故緊靠物面的流體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能消耗很快,不斷減速,在某位置處緊靠物面的流體質(zhì)點(diǎn)速度降為零,前面的流體受逆壓的作用出現(xiàn)倒流,形成具有回流的分離區(qū).邊界層分離后,從分離點(diǎn)不斷脫出渦旋.在有逆壓梯度的區(qū)域內(nèi),尤其是在壓力曲線陡增的地方,邊界層分離的可能性很大.當(dāng)邊界層的分離能推遲或完全消除,物體本身又具有低阻力外形時(shí),可以有效地減小阻力.

2 仿真計(jì)算

2.1 控制方程

鈍體繞流問題的控制方程是粘性不可壓N-S方程,在直角坐標(biāo)系下,基于雷諾平均的連續(xù)方程和動(dòng)量方程分別為

式中:μ為速度分量;p為壓力;ρ為流體密度,空氣密度常溫時(shí)取1.225 kg/m3;μ為流體粘度,空氣粘度常溫時(shí)取1.8×10-5Pa·s.

2.2 湍流模型的選擇

FLUENT提供的湍流模型包括:單方程(Spalart-A llmaras)模型、雙方程模型(標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、重整化群 κ-ε模型 、可實(shí)現(xiàn)(Realizable)κ-ε模型)及雷諾應(yīng)力模型(RSM)等.仿真計(jì)算用RSM模型.RSM模型采用各向異性的湍動(dòng)粘度計(jì)算湍流應(yīng)力,比單方程和雙方程模型更嚴(yán)格地考慮了旋轉(zhuǎn)流動(dòng),流動(dòng)方向表面曲率變化的影響,對(duì)復(fù)雜流動(dòng)有更高精度預(yù)測(cè)潛力.

2.3 計(jì)算模型

計(jì)算模型截面,計(jì)算模型區(qū)域,計(jì)算模型網(wǎng)格分別如圖2～4所示.

流體從左至右流動(dòng),左側(cè)設(shè)定為速度入口,右側(cè)設(shè)定為自由出流.入口速度v=9 m/s,雷諾數(shù)Re=30 000.上下邊界為無滑移固壁邊界.矩形計(jì)算區(qū)域?yàn)?1D×21 D,模型上游來流區(qū)域?yàn)?0 D,下游尾流區(qū)為40D,離上下邊界各為10D.其中Re數(shù)定義為Re=UD/υ.式中:U為來流速度;D為鈍體直徑或迎風(fēng)截面的特征尺度;υ為運(yùn)動(dòng)粘度,空氣運(yùn)動(dòng)粘度取為常溫下的1.5×10-5m2/s.

圖2 計(jì)算模型截面圖

圖3 計(jì)算模型區(qū)域圖

圖4 計(jì)算模型網(wǎng)格

3 仿真計(jì)算結(jié)果

3.1 物體表面壓強(qiáng)分布圖

物體表面壓強(qiáng)分布如圖5所示,各截面坐標(biāo)如圖6所示.

圖5 物體表面壓強(qiáng)分布圖

圖6 截面坐標(biāo)

3.2 流線圖和渦量圖

各截面流線和渦量圖如圖7,圖8所示.渦量定義為Ω=▽×u.式中:▽為哈密頓算子.對(duì)

圖5中上面點(diǎn)對(duì)應(yīng)物體上表面壓強(qiáng),下面點(diǎn)對(duì)應(yīng)物體下表面壓強(qiáng).由圖5可以看出,截面1在前側(cè)壓強(qiáng)變化急劇,壓強(qiáng)值由60 Pa變化至-90 Pa,截面2在前面切角點(diǎn)處壓強(qiáng)變化急劇,于截面1、截面2、截面3,流動(dòng)分離點(diǎn)后移,尾流寬度變窄,渦距減小,渦脫落規(guī)模減小.

圖7 流線圖

圖8 渦量圖

3.3 氣動(dòng)力參數(shù)

各截面結(jié)構(gòu)受力比較表,仿真計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值比較表如表1和表2所列.

表1 各截面結(jié)構(gòu)受力比較表

由表1可知,由截面1到截面3,結(jié)構(gòu)單位長(zhǎng)度所受到的平均阻力,最大升力幅值,平均俯仰力矩逐漸減小.表 2中 v=9 m/s,數(shù)Re=30 000,FLUENT仿真計(jì)算采用RSM 湍流模型,湍流強(qiáng)度仿真計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)一樣取14%.斯特勞哈爾數(shù)St定義為St=f s D/U.式中:f s是物體旋渦脫落頻率.St數(shù)將邊界層分離以及流動(dòng)的不穩(wěn)定性這些微觀隨機(jī)特性與表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的瀉渦頻率聯(lián)系起來,是計(jì)算渦激振動(dòng)發(fā)振風(fēng)速和最大振幅的重要參數(shù).由截面1～截面3,St數(shù)逐漸增大,當(dāng)結(jié)構(gòu)自振頻率相同時(shí),它們渦激振動(dòng)的發(fā)振風(fēng)速將逐漸減小,通常結(jié)構(gòu)的最大振幅也將逐漸減小.由表2可知,仿真計(jì)算值與文獻(xiàn)值吻合良好.

表2 仿真計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值比較表

4 結(jié) 論

1)優(yōu)化正方形截面的角形狀可以比較顯著地改變截面的氣動(dòng)力性能.截面1～截面3,渦脫落規(guī)模減小,阻力、升力和俯仰力矩減小,其中截面3的氣動(dòng)力性能最好.

2)幾何形狀的微小變化會(huì)引起氣動(dòng)力系數(shù)值發(fā)生很大的變化,尤其在物體形狀的變化強(qiáng)烈影響到壓力分布的時(shí)候.當(dāng)邊界層的分離能推遲或完全消除,同時(shí)物體具有低阻力外形時(shí),能有效地減小物體阻力.

3)在邊界層不可避免發(fā)生分離的情況下,形(或壓強(qiáng))阻力一般決定了摩擦阻力,為了使形阻力最小,可以用改變表面曲率來推遲分離發(fā)生.

通過數(shù)值仿真分析可以較準(zhǔn)確地計(jì)算出正方形及其不同切角截面的氣動(dòng)力參數(shù),為工程結(jié)構(gòu)氣動(dòng)截面選型提供重要依據(jù).

[1]黃 娟,張志國.2D非穩(wěn)態(tài)方柱繞流的數(shù)值模擬與分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2009,33(1):192-195.

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