卡门涡街数值模拟
卡门涡街的Comsol仿真实验报告
课程名称：大学物理实验（二）实验名称：卡门涡街的Comsol仿真图3.1卡门涡街仿真图四、实验内容及步骤：4.1建模本实验的的建模与仿真可分为八步：1.模型向导2.参数定义3.几何建模4.材料设置5.层流设置6.划分网格7.研究求解8.结果分析操作步骤：1.模型向导1)打开COMSOL软件，在新建窗口中单击模型向导；2)在模型向导窗口中，单击二维；3)在选择物理场树中双击流体流动单相流层流；4)单击添加，然后单击下方的研究；5)在选择研究中选择一般研究瞬态；6)单击底部的完成；2.参数定义1)在左侧模型开发器窗口的全局定义节点下，单击参数1；2)在参数的设置窗口中，定位到参数栏；3)在表中输入以下设置：图4.1 设置示范图4)在左侧主屏幕工具栏中单击f(x)函数，选择全局阶跃；5)在阶跃的设置窗口中，定位到参数栏；6)在位置文本框中输入0.1；3.几何建模1)在上方的几何工具栏中单击矩形；图4.2 建模完成后图材料设置在模型开发器窗口的组件(comp1)节点下，右键单击材料并选择空材料；在材料的设置窗口中，定位到材料属性明细栏；图4.3 设置示范图图层流设置在模型开发器窗口的组件1(comp1)节点下，右键单击层流(spf)并选择入口；在入口的设置窗口中，边界选择栏里选择边界1（单击右侧图形窗口里矩形的左边界即可）在入口的设置窗口中，定位到速度栏，在U0文本框中输入图4.4 划分网格后的图形在模型开发器窗口的研究节点下，单击步骤1: 瞬态；图6.3升力系数随时间的变化由图5.1可知，升力系数的大小在前0.5s几乎为0，0.5s到3.5s升力系数大幅不断变大然后减小，同时升力系数的峰值和谷值的绝对值都在变大，而且峰值和谷值的绝对值近似相等，3.5s到5.0s力系数的峰值和谷值的绝对值缓慢增大，直到5.0s时都取到最大约0.89，此后5.0s到7.0s升力系数在峰值和谷值的绝对值的最大值之间波动。
作出曳力系数随时间变化图图6.4 曳力系数随时间的变化由图5.2可知，曳力系数在0.5s前就从0急剧变大至约3.1，随后在0.5s到3.5s缓慢且小幅减小再增大至约3.17，在3.5s到7.0s时，曳力系数仅在3.17之间微小波动。
卡门涡街
2009年10月20日~ 10月23日卡门涡街一、实验原理实验表明，粘性流体绕流圆柱时，由于脱体所形成的圆柱背后的漩涡有一定的释放规律，当雷诺数（Re ）达到一定值（40～80）时，在圆柱体后几乎是平行的两根直线上，产生一系列相隔固定间距的单涡。
处于圆柱体同一侧的所有单涡以同一方向旋转，分于两侧的涡则旋转方向彼此相反。
在圆柱体下游出现的这种整齐的反对称排列的涡对叫做卡门涡街。
对于圆柱体后涡旋的发射现象，卡门指出，大多数的排列情况都是不能抵抗微小扰动的，即是不稳定的，只有下图所示，当两排涡旋之间的距离h 与同列中相邻两涡旋之间的距离L 之比（h/L ）为0.2806时，才是稳定的。
图1 卡门涡街示意图涡街在上述稳定的排列方式下，各个单涡以相向旋转形成，交错地从物体两边发射出来，其频率F （次/秒）与圆柱运动速度（或绕流速度）成正比，和圆柱直径成反比。
以无量纲数S t 表示，称为斯托哈尔数，∞=V fd S t ，它是雷诺数的函数，当250＜Re ＜2×105时，有如下的经验公式：⎪⎭⎫ ⎝⎛-==∞Re 7.191198.0V fd S t 当103＜Re ＜105时，斯托哈尔数近似常数，可以取为0.2。
圆柱后发射的涡旋，除了绕流速度∞V 向下游流动外，还以一定速度u 流向圆柱体，因此涡旋向下游运动的绝对速度为u V -∞,计算得出L h th L u π2Γ=,一般，u ＜V ∞,式中Γ是涡旋的环量。
图2 卡门涡街实际拍照二、实验指导本实验可用于观察在流体中，圆柱两侧绕流时，产生的卡门涡街现象。
三、实验步骤：1. 在拖曳水槽中灌满水。
2. 在拖车上固定好实验用圆柱体。
3. 直流电源正极接在圆柱体露出水面的部位上，电源负极接在插于水中的铜板上。
4. 把拖车置于拖曳水槽的一端。
5. 待水完全静止后，开启直流稳压电源开关，调整电压和电流都为最大。
6. 开启力矩电机驱动器电源开关，调整行走方向开关正确后，旋转速度调节钮，观察卡门涡街现象。
卡门涡街数值模拟
一、卡门涡街简介
原因：流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。 这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同， 阻流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。
形成条件：卡门涡街形成的条件：对于在流体中的圆柱体雷诺数 （47<Re<105） 涡街频率：卡门涡街频率与流体速度和阻流体（旋涡发生体）宽度有如 下关系: f=SrV/d f=卡门涡街频率, Sr=斯特劳哈尔数, V=流体速度, d=阻流体迎面宽度 影响及应用：声响效应，引发共振，涡街流量计
10
0.14
0.00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Frequency
Lift coefficient
谢谢，请老师同学批评指正！
二、边界条件
1.5m Wall
Velocity inlet
Wall 0.02m
Outflow
0.8m
Wall 0.3m u=0.17894m/s ν=1.7894×10-5m/s Re=Ud/ν=200
三、网格划分
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四4
-0.6
-0.8
-1
4
6
time(s)
4
6
time(s)
0.20 0.15 0.10
Amplitude
0.05
0.00
8
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Frequency
0.42
中国石油大学华东-流体力学模拟上机实验2
流体力学模拟上机实验学院专业班级姓名学号指导教师年月流体力学模拟上机作业摘要：流体力学数值模拟是在流体力学的学习过程中很重要的一部分，以计算机为技术手段，运用一定的计算技术寻求流体力学复杂问题的离散化数值解。
引言流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体(包含气体，液体以及等离子态)现象以及相关力学行为的科学。
可以按照研究对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学，还可按流动物质的种类分为水力学，空气动力学等等。
描述流体运动特征的基本方程是纳维-斯托克斯方程，简称N-S方程。
纳维-斯托克斯方程基于牛顿第二定律，表示流体运动与作用于流体上的力的相互关系。
纳维-斯托克斯方程是非线性微分方程，其中包含流体的运动速度，压强，密度，粘度，温度等变量，而这些都是空间位置和时间的函数。
一般来说，对于一般的流体运动学问题，需要同时将纳维-斯托克斯方程结合质量守恒、能量守恒，热力学方程以及介质的材料性质，一同求解。
由于其复杂性，通常只有通过给定边界条件下，通过计算机数值计算的方式才可以求解。
二维有障碍通道内的流动计算目的初步掌握软件的操作和边界条件的设置方法通过计算了解障碍通道内的流体运动的特性物理问题假设流体在一个两维通道内的流动，流体从左边流入，从右边流出，通过数值模拟的方法分析判断流体的运动特性。
模型的建立启动Gambit软件创建控制点，设定workingdictory开始建立建立模型。
1.流动空间面建立10m*10m计算空间矩形面。
2.建立车型障碍物车轮半径---0.2车轮原点坐标---X=4，X=8车体位置--- X=4，Y=0.4 宽4米，高3米。
操作步骤：建立车体solid1 ,平移障碍物至x=处。
建立车轮solid2，调整到设置位置，通过copy功能复制solid2建立另一车轮solid3，并平移至适当位置。
点击布尔运算按钮substract real face对于创建的面进行布尔运算（同时减掉solid1，solid2，solid3）得到计算网格填充生成区间。
圆柱绕流理论研究和数值模拟
圆柱绕流理论研究和数值模拟摘要：在生活中,绕流问题随处可见，河水流过桥墩长期以来物体绕流问题是我们学者研究和分析的热点问题，其中最典型的是绕流圆柱体的现象是卡门涡街。
应用CFD方法求流体力学的经典问题。
电脑的数值模拟方法的优点在于能够不受物理模型和实验模型的基本条件限制，有较好的灵活性，经济性，适应性，能够很好地处理现实的问题。
本课题利用软件FLUENT通过应用连续性方程和动量方程求解层流状态下，固定的圆柱体绕流问题，分别得到二维圆柱的周围流场流，速度矢量图，速度涡量图，求出其对应的阻力系数，把已有的模拟结果和理论研究结果进行比较，得出准确的绕流问题的结论,将测得的数据与已有的文献结论相比较，得出层流在不同文献下结果不尽相同。
关键词:FLUENT；阻力系数；雷诺数1柱体绕流阻力研究1.1 圆柱绕流的基本参数雷诺数(O.Reynolds)描述粘性流体力学最重要也是最基本的参数，其他无量纲物理量必然依赖于Re数。
它反映了惯性力与粘性力的比值：(1-1)其中ρ为流体的密度，U、L分别描述流体的特征速度和结构物的特征长度；μ、υ分别为流体的动力学及运动学粘性系数；决定圆柱绕流流态的是雷诺数的值 ,雷诺数在300≤Re≤3×105范围内的称为亚临界区，此时边界层仍是层流分离，而尾迹中己经是湍流涡街了;当雷诺数增加到3×105≤Re≤3.5×106时为临界区，边界层从层流分离转化为湍流分离;而后当Re≥3.5×106时为过临界区，完全变为湍流分离[1]。
斯特鲁哈数(Strouhal number)St：斯特鲁哈数根据罗斯柯(A .Roshko)1954年的实验结果，它只于雷诺数有关，在大雷诺数（Re＞1000)它近似地等于常数0.21[2]。
它是描述圆柱绕流的一个非常重要的无量纲数：(1-2)U是的均匀来流速度,直径为D的静止柱体,泻涡频率为；升力系数(1ift coemcient)：(1-3)阻力系数(dragcoefficient)：(1-4)式中为作用于单位长度圆柱上的升力，为作用于单位长度圆柱上的阻力。
Fluent-卡门涡街算例流程
Workshop Supplement
瞬态模拟的技巧
• 压力-速度耦合采用 PISO 格式，比标准SIMPLE 格式更易收敛 • 选择合适的时间步长以至每个时间步长内能收敛三个量级
Workshop Supplement
• 每个时间步的迭代次数大约20次，减少时间步长比增加每步的迭代次数要 好 • 记住对瞬态问题，精确的初场和边界条件一样重要，初场一定要符合真实
– t 必须小到能解析和时间相关的特征。确定每个时间步的最大迭代步 内能收敛 – 时间步大致可按照下面公式估计:
– 也可以选择能解析流动特征的时间步（在指定脉动周期的情况下） • 指定零时间步时迭代，求解器会仅仅在当前时间步下收敛 • 对许多瞬态流动，PISO格式有助于加速收敛
瞬态模型选择
• 自适应时间步长
Workshop Supplement
•边线未关联无法导出，关联时 最好是单独关联 •关联线时投影点
网格生成——确定网格尺寸 划分线网尺寸
Workshop Supplement
调整其他线尺寸
根据几何体尺寸 来确定网格尺寸
网格生成——查看网格质量
Workshop Supplement
网格生成——导出网格
瞬态流动模型 – 动画
• 必须在计算前设置动画 – 动画帧在计算中写出并存储
Workshop Supplement
创建动画的其他方法
• 另外一个创建动画的方法是利用Execute Commands • 可以通过文本命令或宏定义在预定的迭代 步或时间间隔，执行哪些操作 • 这种方法在创建高质量的动画结果时有用
激活瞬态求解器
• 在 General 菜单下选择Transient 按钮:
Workshop Supplement
涡街仿真与模拟毕业答辩
正方形流量计速度云图
三角形绕流体压力云图
三角形流量计压力云图
三角形绕流体速度云图
三角形流量计速度云图
四、实验结论
• 1.涡街现象：圆形绕流体最为规律，三角形绕流 体较为规律，而正方形绕流体最不规律 。 • 2.涡街流量计震荡频率小于相同情形下的涡街流 场。 • 3.涡街流量计所形成的低压低速带对实际流场影 响较小。 • 4.三种形状绕流体的压力损失，圆形流量计大， 方形流量计次之，三角形最小。应选取三角柱设 计流量计。
一、研究目的
• 流动流体中漩涡的出现,是增大流动阻力、造成较 大能量损失的重要原因。所以,在流体输送中应尽 量避免或减少旋涡产生的机会。但随着人们对漩 涡的认识不断深化，在工程实践中有意识地加以 运用, 例如设计出了涡街流量计。本课题基于CFD 技术，运用Gambit、Fluent等软件，对涡街进行 数值模拟计算和分析，有助于对旋涡产生和运动 规律认识的深化。
• 1.1 涡街的概念 • 卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自 然界中常可遇到，在一定条件下的定常来 流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地 脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线 涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街 （Karman Vortex Street）。
• 1.2 r（V/d）
•谢谢
附录1
• 本次主要使用Gambit软件进行流场的框架 构建及其网格划分，得到如图所示流场：
附录2
不同形状场压力损失计算结果
附录3
• 卡门涡街形成与雷诺数Re有关，对于在流体中的圆柱体， 当雷诺数47<Re<107时，便会产生涡街现象，其中： • 当雷诺数=30时，圆柱体后的液体呈平陆状态； • 当雷诺数=40， 圆柱体后的液体开始出现正弦式波动； • 当雷诺数=47， 圆柱体后的液体，前端仍然呈正弦状，后 端则逐渐脱离正弦波动； • 当雷诺数>47， 圆柱体后的液体，出现卡门涡街 • 当雷诺数在50至85之间，圆柱体后的液体压力，呈等振幅 波动 • 当雷诺数=185时，圆柱体后的液体压力，呈非均匀振幅波 动。
基于数值仿真的涡街流量传感器优化
基于数值仿真的涡街流量传感器优化Optimizing vortex flow meter based on simulation摘要涡街流量传感器是一种速度式流量传感器，它依据流体振动频率与流速有对应关系的原理工作。
涡街流量传感器输出的频率信号与流速成正比，且不受流体组分、密度、压力、温度的影响，具有可靠性高、压力损失小、量程比宽、结构简单牢固等优点，被广泛应用于管道流量测量。
传统涡街流量传感器旋涡发生体形状的确定，是基于频率与流速线性度的考虑，忽略了发生体形状对频率信号强度的影响，导致传统发生体形状涡街流量传感器在低流速下输出的频率信号不足以被检测，影响涡街流量传感器在低流速下的应用。
数字式仪表的大量应用，使对频率与流速的线性度要求已不再主要，涡街信号的强弱决定了涡街流量传感器在低流速下的应用。
改进涡街流量传感器旋涡发生体形状，对提高涡街流量传感器在低流速下的应用价值，具有重要意义。
本论文主要完成了以下的工作：1.利用计算流体仿真软件，运用两种仿真模型对涡街流场进行仿真计算，确定Realizable k-ε模型为涡街流场模拟的最佳仿真模型。
2.通过改变梯形旋涡发生体尾缘夹角角度、平行部分长度对旋涡发生体形状进行仿真研究。
确定在水介质和空气介质涡街流场中能产生最强涡街信号的旋涡发生体最佳几何尺寸。
3.通过比较尾缘后部不同检测位置信号变化，对涡街信号最佳检测位置进行仿真研究。
确定在水介质和空气介质涡街流场中涡街信号最佳检测位置。
4.针对几种尾缘夹角角度的旋涡发生体进行实流试验。
验证了仿真结论，并提出在低流速测量中的最佳旋涡发生体形状。
关键词：涡街流量传感器；旋涡发生体；数值仿真；ABSTRACTV ortex flowmeter is a kind of velocity-type flowmeter; working depends on the linearity of frequency and velocity. The frequency signal, outputting from vortex flowmeter, is direct ratio with velocity, and have nothing to do with the form or density or pressure or temperature of the flow, so it has high stabilization, low pressure loss, wide measurement range and simple structure. It is widely used in pipeline flow measurement.The confirmation of bluff body for traditional vortex flowmeter is based on the linearity of frequency and velocity. The influence of the bluff body shape to frequency signal was ignored. It results in the low velocity signal could not be measured by traditional bluff body, which effected the usefulness of vortex flowmeter in low velocity measurement.The widely used of digital meter makes the key change to the strength of signal, not the linearity of frequency and velocity anymore. The strength of vortex is important to the usefulness of vortex flowmeter in low velocity. Optimizing vortex flowmeter bluff body shape has important meaning of the usefulness of vortex flowmeter in low velocity measurement.The mainly research works of this thesis are as following.ing two computational fluid dynamics models. ensured a certain model as thesimulation model of vortex flow and ensured certain parameters as the simulation parameters.2.Changing the after body angle and parallel part length, optimized the shape ofbluff body. Ensured the best bluff body’s shape both in water and airmeasurement which can bring the strongest vortex signal.paring the signal strength of different locality after the bluff body, researchedthe best locality of the pressure tapping position. Ensured the best pressuretapping position both in water and air measurement.4.Based on experiment both in water and air, aiming at several bluff body shape,proved the result of simulation and find a better bluff body shape for low velocity measurement.KEY WORDS：V ortex flowmeter, Bluff body, Numerical simulation,目录第一章绪论 (1)1.1涡街流量计 (1)1.2钝体绕流与非定常尾迹理论 (4)1.2.1边界层分离及涡的形成 (4)1.2.2不同雷诺数范围内的钝体绕流 (7)1.3论文研究的内容 (8)1.3.1研究目的 (8)1.3.2研究内容 (8)1.3.3创新点 (9)1.3.4章节结构 (9)第二章涡街流量传感器的研究现状 (11)2.1旋涡发生体的研究现状 (11)2.1.1单旋涡发生体形状的研究 (11)2.1.2双旋涡发生体组合的研究 (13)2.2压电探头位置的研究 (14)2.3涡街流量传感器流场数值仿真的研究 (15)2.4数值模拟研究的意义与现状 (15)2.5计算流体力学概述 (16)2.5.1计算流体力学及其在工业中的应用 (16)2.5.2商用CFD软件FLUENT的介绍 (17)2.5.3 FLUENT在流量计设计领域的应用 (18)2.6本章小结 (19)第三章涡街流场模拟的可行性 (20)3.1涡街流量传感器的网格划分与计算模型 (20)3.2边界条件及湍流模型的选择 (21)3.2.1边界条件的设置及流体属性 (21)3.2.2湍流模型的选择 (21)3.3仿真结果与实验结果的误差分析 (25)3.3.1旋涡脱落现象分析 (25)3.3.2旋涡脱落频率的获得 (26)3.3.3仿真结果与实验结果的比较 (27)3.4本章小结 (28)第四章基于RNG k-ε模型的仿真结果与分析 (29)4.1几何参数初步研究 (29)4.1.1旋涡发生体形状 (29)4.1.2检测参数及检测点设置 (30)4.1.3仿真结果与分析 (31)4.2对旋涡发生体尾缘夹角的研究 (33)4.2.1旋涡发生体形状 (33)4.2.2检测参数与检测点设置 (33)4.2.3仿真结果与分析 (34)4.3本章小结 (36)第五章基于Realizable k-ε模型的仿真结果与分析 (36)5.1对不同尾缘夹角的研究 (36)5.1.1旋涡发生体形状 (36)5.1.2检测参数与检测点设置 (37)5.1.3仿真结果与分析 (37)5.1.3.1水介质涡街流场的仿真 (37)5.1.3.2空气介质涡街流场的仿真 (41)5.2对不同平行部分长度的研究 (44)5.2.1矩形 (44)5.2.1.1检测参数与检测点位置 (45)5.2.1.2仿真结果与分析 (45)5.2.2水介质中旋涡发生体平行部分长度研究 (49)5.2.3空气介质中旋涡发生体平行部分长度研究 (51)5.3湍流及其数值模拟 (53)5.4仿真结果分析 (55)5.5本章小结 (55)第六章水流量实验 (57)6.1实验装置 (57)6.2数值仿真 (58)6.2.1旋涡发生体形状 (58)6.2.2检测参数及检测点设置 (58)6.2.3仿真结果分析 (59)6.3实验数据分析 (61)6.3.1频率与Sr (61)6.3.2不同位置检测点信号比较 (64)6.3.3与仿真结果比较 (65)6.4本章小结 (67)第七章气流量实验 (68)7.1实验装置 (68)7.2数值仿真 (69)7.2.1旋涡发生体形状 (69)7.2.2检测参数及检测点设置 (69)7.2.3仿真结果分析 (69)7.3实验数据分析 (71)7.3.1频率与Sr (71)7.3.2不同位置检测点信号比较 (74)7.3.3与仿真结果比较 (75)7.4本章小结 (77)第八章总结与建议 (78)8.1总结 (78)8.2建议 (79)参考文献 (80)发表论文和参加科研情况说明 (84)致谢 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。
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二、边界条件
1.5m Wall
Velocity inlet
Wall 0.02m
Outflow
0.8m
Wall 0.3m u=0.17894m/s ν=1.7894×10-5m/s Re=Ud/ν=200
三、网格划分
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
卡门涡街的数值模拟
目录
1 卡门涡街简介 2 边界条件 3 网格划分 4 求解设置 5 结果分析
一、卡门涡街简介
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在一定条件下的定常来流绕过某些物 体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡， 经过非线性作用后，形成卡门涡街。如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、 电线等都会形成卡门涡街。
10
0.14
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Frequency
Lift coefficient
谢谢，请老师同学批评指正！
一、卡门涡街简介
原因：流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。 这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同， 阻流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。
形成条件：卡门涡街形成的条件：对于在流体中的圆柱体雷诺数 （47<Re<105） 涡街频率：卡门涡街频率与流体速度和阻流体（旋涡发生体）宽度有如 下关系: f=SrV/d f=卡门涡街频率, Sr=斯特劳哈尔数, V=流体速度, d=阻流体迎面宽度 影响及应用：声响效应，引发共振，涡街流量计
四、求解设置
五、结果分析
T=7.8s
T=8.1s
五、结果分析
结果验证—文献数据
Cd=1.4
脱涡频率f=Str·U/d=0.2×0.17894/0.02=1.7894
五、结果分析
Drag coefficient
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
0.9
0.8
0
2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
2
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-0.6
-0.8
-1
4
6
time(s)
4
6
time(s)
0.20 0.15 0.10
Amplitude
0.05
0.00
8
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Frequency
0.42
Amplitude
0.28
8