王玉玨,魯　麗

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都　610031)

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多圓柱繞流問題的數(shù)值模擬

王玉玨,魯麗

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都610031)

摘要：基于非定常不可壓縮黏性流動(dòng)的N-S方程，利用計(jì)算流體力學(xué)Fluent軟件對(duì)圓柱繞流問題進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析多圓柱不同間距比(兩圓柱圓心間的距離與圓柱直徑的比值)時(shí)產(chǎn)生不同的尾流特征現(xiàn)象。選取間距比為可變參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：圓柱尾部卡門渦街生成和脫落的流動(dòng)特征很大程度上取決于間距比的大小，且間距存在臨界值。

關(guān)鍵詞：Fluent; 多圓柱繞流; 渦脫落; 數(shù)值模擬

一直以來，圓柱繞流問題是流場(chǎng)分析中一個(gè)非常經(jīng)典的問題。當(dāng)流體流過非流線型物體時(shí)，在特定的條件下，流體尾流左右兩側(cè)出現(xiàn)成對(duì)的、交替出現(xiàn)的、方向相反的漩渦，這個(gè)現(xiàn)象因由著名空氣動(dòng)力學(xué)家西奧多·馮·卡門從理論上闡明而得名卡門渦街。

已有很多文獻(xiàn)和資料涉及圓柱繞流的物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。多柱體靜止繞流問題的數(shù)值模擬研究主要針對(duì)低雷諾數(shù)的情況。與單圓柱繞流相比,多圓柱繞流由于柱與柱之間的相互影響以及排布方式的不同,其流動(dòng)情況要復(fù)雜得多。Zdravkovich[1]等對(duì)雙圓柱串列和交錯(cuò)放置的繞流問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在各種圓柱排列方式下都存在一個(gè)臨界間距，超過此間距，漩渦脫落頻率、壓強(qiáng)系數(shù)、升力和阻力系數(shù)都會(huì)發(fā)生較大變化；在此間距處，會(huì)有兩種不同的流態(tài)，稱為“雙穩(wěn)態(tài)“現(xiàn)象。Meneghini等[2]對(duì)雙圓柱靜止繞流現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，觀察到串列雙圓柱在不同間距比條件下出現(xiàn)不同的流動(dòng)現(xiàn)象。通過速度云圖、流線圖分析了上下游圓柱的漩渦脫落特征，得出臨界間距在3D左右。

在機(jī)械、石化、核電、熱交換器裝置及海洋工程等諸多領(lǐng)域，交替性的渦脫落導(dǎo)致在垂直于來流方向上產(chǎn)生劇烈振蕩的升力,從而會(huì)帶來結(jié)構(gòu)振動(dòng)及噪聲，甚至導(dǎo)致失效。所以，這類問題已成為基礎(chǔ)研究和工程領(lǐng)域中重要的課題之一。

本文采用二維層流模型和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)合有限體積法對(duì)不同間距比下的柱群產(chǎn)生渦脫落現(xiàn)象進(jìn)行分析，模擬低雷諾數(shù)下卡門渦街的產(chǎn)生、發(fā)展和脫落的演化過程[3-9]。

1基本方程

不可壓縮黏性流體的運(yùn)動(dòng)在笛卡兒坐標(biāo)系下可用Navier-Stokes(N-S)方程組來描述：

(1)

其中：t為時(shí)間；ρ為密度；p為壓強(qiáng)；υ為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；xj，uj分別為j方向上的坐標(biāo)和速度。

2計(jì)算區(qū)域與計(jì)算網(wǎng)格

圖1　多圓柱仿真計(jì)算模型

圖2　結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

3計(jì)算結(jié)果分析

如圖3～10所示。在雷諾數(shù)情況下，當(dāng)L/D=2時(shí)，上游圓柱的分離剪切層非常明顯,并附著在下游圓柱上,渦脫落現(xiàn)象只在下游圓柱出現(xiàn)。當(dāng)2.5

圖5　L/D=3

圖6　L/D=3.25

圖7　L/D=3.5

圖8　L/D=3.625

圖9　L/D=3.75

圖10　L/D=4

圖11　L/D=2，L/D=4時(shí)的升力

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯劉舸)

Numerical Simulation of Flow Around Multi-Circular Cylinder

WANG Yu-jue, LU Li

(School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China)

Abstract:Based on the incompressible Navier-Stokes equation, the flowing problem about flow around multi-circular Cylinder was numerically simulated by Fluent software to analyze different spacing ratio among multi-circular cylinder’s (ratio of the distance between the two cylindrical center and cylinder diameter) producing of different wake flow characteristic phenomena. We choose spacing ratio as a variable parameter for numerical simulation. The result of numerical simulation show: flow characteristics of the generation and fall off of cylindrical tail karman vortex street depends strongly on the distance between the cylinder and the space has critical value.

Key words:Fluent; flow around multi-circular cylinder; vortex shedding; numerical simulation

文章編號(hào)：1674-8425(2016)02-0037-04

中圖分類號(hào)：TV131

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.007

作者簡(jiǎn)介：王玉玨(1990—)，女，湖北人，碩士研究生，主要從事力學(xué)方面的研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11102170， 11372258)

收稿日期：2015-08-26

引用格式：王玉玨,魯麗.多圓柱繞流問題的數(shù)值模擬[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(2):37-40.

Citation format：WANG Yu-jue, LU Li.Numerical Simulation of Flow Around Multi-Circular Cylinder[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):37-40.