蘇立國(guó)，顧繼俊，段夢(mèng)蘭，郭中云，邱 盼，張 杰

基于CFE的圓柱繞流流場(chǎng)特性分析

蘇立國(guó)，顧繼俊，段夢(mèng)蘭，郭中云，邱 盼，張 杰

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）

流體流經(jīng)非流線型結(jié)構(gòu)物時(shí)會(huì)發(fā)生渦旋脫落現(xiàn)象。利用CFD分析軟件模擬研究了單根附屬桿在不同位置對(duì)圓柱繞流流場(chǎng)特性的影響。結(jié)果表明：不同位置的附屬桿對(duì)圓柱繞流流場(chǎng)影響方式不同，附屬桿相對(duì)位置與來(lái)流方向之間的角度為0°、90°和180°時(shí)，對(duì)圓柱繞流流場(chǎng)的影響分別為引導(dǎo)來(lái)流分流、影響分離點(diǎn)和控制尾流。

附屬桿；圓柱繞流；流場(chǎng)；數(shù)值模擬

圓柱繞流是流體力學(xué)的經(jīng)典問(wèn)題之一，廣泛存在于航空航天、水利建筑、海洋鉆井等科學(xué)研究和工程實(shí)踐領(lǐng)域［1］。如圖1所示，當(dāng)流體流經(jīng)1個(gè)非流線型圓柱體的前緣時(shí)，流體在圓柱體前端面的阻礙作用下自然分流，并在圓柱體最寬截面處發(fā)生流固的分離，形成剪切層。剪切層的最內(nèi)層比最外層流動(dòng)慢，就會(huì)傾向于生成不連續(xù)的打旋的渦，從而在尾流中形成旋渦［2］。圓柱繞流周期性的渦旋脫落可能會(huì)引發(fā)渦激振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)工程實(shí)踐產(chǎn)生重大的破壞作用，因此越來(lái)越多的學(xué)者重視圓柱繞流渦旋生成與脫落問(wèn)題研究［3-4］。附屬桿是影響圓柱繞流渦旋脫落的主要措施之一，大量學(xué)者也對(duì)附屬桿的抑制效果做了相關(guān)研究［5-6］，但針對(duì)附屬桿對(duì)渦旋脫落影響機(jī)理的研究卻很少。本文利用CFX分析軟件模擬研究了不同位置的附屬桿對(duì)圓柱繞流漩渦生成與脫落的影響機(jī)理，得到不同位置的附屬桿對(duì)漩渦影響不同的結(jié)論。

圖1　圓柱繞流示意

1 數(shù)學(xué)模型建立

為了研究不同位置處附屬桿對(duì)圓柱繞流流場(chǎng)特性影響，參考前期學(xué)者數(shù)值模擬圓柱繞流問(wèn)題的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)［5-9］，建立了如圖2所示的三維模型，具體參數(shù)如下：

流體域尺寸0．4 m×0．2 m×0．1 m

圓柱體尺寸D＝0．02 m，h＝0．1 m

附屬桿尺寸d＝0．2D＝0．004 m，h＝0．1 m

附屬桿位置直徑Df＝1．75D＝0．035 m

流體流速u(mài)＝0．03 m／s

根據(jù)研究需要，設(shè)立4組模擬試驗(yàn)方案。如圖3所示，附屬桿與圓柱體相對(duì)距離位置不變，改變附屬桿與來(lái)流方向的相對(duì)角度β，分別設(shè)置無(wú)附屬桿、β＝0°、β＝90°和β＝180°4種方案（如表1），對(duì)比附屬桿件位于不同位置處對(duì)圓柱繞流流場(chǎng)特性影響情況。

圖2　圓柱繞流模擬三維模型

圖3　附屬桿與圓柱體相對(duì)位置

表1　試驗(yàn)方案設(shè)置情況

2 模擬結(jié)果與分析

2．1 升力曳力系數(shù)

流體流經(jīng)圓柱體后會(huì)對(duì)圓柱體作用1個(gè)周期性的升力和曳力，一般情況用升力與曳力系數(shù)來(lái)表示，升力和曳力系數(shù)是由圓柱體結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)性質(zhì)共同決定的，定義如下［5］

式中：CL為升力系數(shù)；CD為曳力系數(shù)；FL為升力；FD為曳力；ρ為流體密度；u為來(lái)流速度；d為單位長(zhǎng)度圓柱的迎流面積。

圖4為圓柱繞流模擬的4組模型試驗(yàn)升力、曳力系數(shù)變化情況，可以發(fā)現(xiàn)升力、曳力系數(shù)變化比較明顯，其中升力系數(shù)最大情況出現(xiàn)在無(wú)附屬桿試驗(yàn)中，而曳力系數(shù)最大情況出現(xiàn)在附屬桿角度為90°試驗(yàn)中（如圖4）。

圖4　不同位置拖曳力系數(shù)

分析升力、曳力系數(shù)定義公式可以發(fā)現(xiàn)：4組試驗(yàn)中流體密度和來(lái)流流速都沒(méi)有發(fā)生變化，可視為常量；模型試驗(yàn)1、2、4三組試驗(yàn)中，單位長(zhǎng)度圓柱的迎流面積也沒(méi)有變化，然而3組試驗(yàn)的升力和曳力系數(shù)卻變化明顯，說(shuō)明模型試驗(yàn)中圓柱體受到的升力和曳力發(fā)生了變化。升力和曳力是通過(guò)流體對(duì)圓柱體表面的壓力與應(yīng)力沿圓柱體表面積分得到的，所以升力和曳力變化的根本是流體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化引起圓柱體表面壓力與應(yīng)力的變化，這一問(wèn)題可以通過(guò)流體流場(chǎng)壓力分布與流速分布來(lái)解釋。

2．2 壓力分布

流體流經(jīng)圓柱體后會(huì)形成壓力不相等的區(qū)域，根據(jù)相對(duì)于圓柱體的位置將其分為前端壓力區(qū)、兩側(cè)壓力區(qū)和背壓區(qū)。4組試驗(yàn)方案數(shù)值模擬結(jié)果壓力分布如圖5所示，4組試驗(yàn)中圓柱體前端壓力區(qū)的變化情況與曳力系數(shù)變化趨勢(shì)相符合，說(shuō)明流場(chǎng)壓力變化與曳力系數(shù)的變化有一定的聯(lián)系。

圖5　不同位置情況壓力云圖

由圖5可以看出：在沒(méi)有附屬桿情況下，圓柱體前端受到來(lái)流沖擊力的作用，壓力最大，圓柱體兩側(cè)壓力逐漸降低，圓柱體背壓區(qū)壓力最小；當(dāng)附屬桿位于β＝0°位置時(shí)，與圖5a對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，由于附屬桿的存在，水流在沖擊到圓柱體前端面之前，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)被附屬桿破壞，減小了水流對(duì)圓柱體的沖擊，使圓柱體前端面水流沖擊壓力降低，而兩側(cè)壓力區(qū)和背壓區(qū)壓力基本未變；當(dāng)附屬桿位于β＝90°位置時(shí)，圓柱體前端壓力與圖5a相似，但高壓區(qū)位置有偏置趨勢(shì)，同時(shí)背壓區(qū)向附屬桿另一側(cè)偏移，說(shuō)明附屬桿的存在影響了圓柱體兩側(cè)及后端流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加了整體的阻流面積，與β＝0°相比高壓力明顯增大；當(dāng)附屬桿位于β＝180°位置時(shí)，與圖5a相比，圓柱體前端壓力分布和整體壓力分布基本一致，但是背壓低壓區(qū)明顯擴(kuò)大，說(shuō)明附屬桿的存在影響了圓柱體后側(cè)流場(chǎng)性質(zhì)。

綜上分析，增加附屬桿之后圓柱繞流壓力區(qū)域分布改變明顯，而且附屬桿位于不同位置處對(duì)壓力區(qū)域分布影響不同。位于前端時(shí)，主要影響圓柱體前端壓力分布；位于側(cè)方時(shí)，側(cè)后方壓力影響明顯；位于后方時(shí)，則對(duì)背壓區(qū)影響最大。

2．3 流速矢量

4組試驗(yàn)方案數(shù)值模擬結(jié)果流速矢量如圖6所示。

圖6　不同位置情況流速矢量圖

在沒(méi)有附屬桿的干擾下（如圖6a），流體流經(jīng)圓柱體發(fā)生分流，水流沿著圓柱體兩側(cè)面流動(dòng)并分離，在圓柱體后側(cè)可以發(fā)現(xiàn)回流現(xiàn)象，并有明顯的成對(duì)漩渦生成，符合圓柱繞流現(xiàn)象。

圖6b中，由于圓柱體前端附屬桿的存在，在附屬桿與圓柱體之間形成1個(gè)穩(wěn)定的漩渦，使附屬桿和圓柱體前半部分形成1個(gè)三角形導(dǎo)流部分，引導(dǎo)水流自然分流，避免直接沖擊圓柱體前端面，這也解釋了圖5b中壓力云圖分布現(xiàn)象，同時(shí)在圓柱體后方不再有明顯的成對(duì)漩渦生成，說(shuō)明附屬桿破壞了來(lái)流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)流體自然分流，減弱了流體與圓柱體表面分離引起的漩渦現(xiàn)象。

由圖6c可以看出：圓柱體前端流速矢量情況與無(wú)附屬桿情況相似，但有附屬桿一側(cè)卻有明顯的不同，附屬桿兩側(cè)流速增大，同時(shí)在圓柱體后面只有單側(cè)漩渦生成，說(shuō)明由于附屬桿的存在，增加了附屬桿一側(cè)圓柱繞流流體的速度，抑制了流體與圓柱體表面的分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了控制漩渦生成的作用。

由圖6d可以看出：β＝180°時(shí)流速矢量圖與壓力云圖類(lèi)似，圓柱體前端沒(méi)有明顯變化，但是后側(cè)卻變化明顯；附屬桿與圓柱體之間形成1個(gè)穩(wěn)定的小漩渦，使圓柱體和附屬桿形成1個(gè)倒三角形結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)流體順利流經(jīng)圓柱體后平穩(wěn)匯流，控制圓柱繞流尾流的流向，此時(shí)附屬桿作用類(lèi)似于整流罩結(jié)構(gòu)，抑制原理為破壞尾流。

綜上分析，附屬桿的存在干擾了圓柱繞流流場(chǎng)的特性，但是不同位置處影響不同：附屬桿位于圓柱體前端起引導(dǎo)流體自然分流的作用；附屬桿位于側(cè)方起抑制流體分離的作用；附屬桿位于圓柱體后端則是起引導(dǎo)圓柱繞流尾流自然匯流的作用。

3 結(jié)論

1)附屬桿位于β＝0°位置時(shí)，主要起到了干擾來(lái)流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)流體自然分流的作用，從而抑制渦旋的生成。

2)附屬桿位于β＝90°位置時(shí)，附屬桿的存在增加了圓柱體一側(cè)流體的流速，迫使分離點(diǎn)后移，抑制了剪切層的分離，也實(shí)現(xiàn)了抑制漩渦的生成。

3)附屬桿位于β＝180°位置時(shí)，對(duì)圓柱體前端來(lái)流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有影響，但在圓柱體后側(cè)形成了1個(gè)倒三角形的導(dǎo)流區(qū)域，引導(dǎo)圓柱繞流尾流的匯流，控制了尾流流向，從而抑制了漩渦的脫落。

［1］涂程旭，王昊利，林建忠．圓柱繞流的流場(chǎng)特性及渦脫落規(guī)律研究［J］．中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，19（2）：99-102．

［2］丁代偉．圓柱繞流及渦激振動(dòng)的二維數(shù)值模擬［D］．天津：天津大學(xué)，2010．

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Flow Field Characteristics Analysis of Flow around a Cylinder with CFE

SU Liguo，GU Jijun，DUANMenglan，GUO Zhongyun，QIU Pan，ZHANG Jie
（Cffshore Cil&Gas Research Center，China Uniuersity of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

The vortex shedding phenomenon will happen when fluid flowing through the non-streamlined structure．The influence of the vortex shedding characteristics around the cylinder structure is analyzed when the single attached rod at different positions by numerical simulation of CFD software．The results show that the single attached rod effect the vortex shedding in the flow around a cylinder have different ways with different position，and when the angle between the relativeposition of attached rod and the flow direction is 0°，90°and 180°，the way of attached rod effect the vortex shedding is that：lead to the flow diversion，affect the separation point and control the flow wake．

affiliated rods；flow around a cylinder；flow field；numerical simulation

TE951

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．002

1001-3482（2015）04-0005-04

2014-10-28

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）課題“深海柔性結(jié)構(gòu)的非線性流固耦合振動(dòng)與破壞機(jī)理研究”（2011CB013702）；國(guó)家自然科學(xué)基金課題“基于廣義積分變換法的深水立管渦激振動(dòng)預(yù)報(bào)模型研究”（51409259）

蘇立國(guó)（1987-），男，河北承德人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備設(shè)計(jì)及海洋結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究，E-mail：vivofcup＠163．com。