圆柱绕流的一种网格画法

圆柱绕流的一种网格画法及其应用
1.建立如下模型,将区域划分为四个面.
2.对边划网格,和钱币网格划法相同,对应边网格数相同.
3.对面划网格,采用map结构的四边形网格.
应用
1.在gambit中建立如下模型
2.建立两个面将模型分为四部分.
3.对两边圆弧结构划网格,对应边网格数相同,采用map结构的四边形网格,对体采用cooper方式划网格.如下图所示.
4.对圆柱形区域划网格,先处理,建立如下图所示四个面,将两个体分为8个体,采用上面圆柱绕流网格划法对面划网格,采用cooper方式对体划网格.
5.对于每个已经化为4个体的圆柱形区域，选中四个体直接进行网格划分。

（Hex-Map）。

FLUENT动网格-圆柱体在管道内运动模拟

FLUENT动网格应用——圆柱体在管道内
运动流场模拟
通过非结构网格的拉伸和重划，能够模拟固态边界的变形和运动，对于弹丸外流场以及汽车迎风流场这种条件，可以通过迎面来流速度相对模拟物体运动，但是对于计算域中含有静态固体边界的运动状态，还是需要通过动网格方法来模拟物体运动。

这里给出一个圆柱体在高速运动的流场模拟案例，以进行非结构动网格的应用和学习，上图中圆管静止，圆柱体以10m/s的速度在管内运动。

（本人比较恋旧，这里采用FLUENT15.0进行模拟计算）。

三维圆柱扰流-卡门涡街数值仿真方法--详细教程

时间长
时间步长的选取决定能否快速观察到卡门涡街，卡门涡街在Re>45时出现，根据斯特劳哈尔数（St）算出涡的脱落频率（fs），求出脱落周期，然后根据经验公式，取脱落周期的1/75作为时间步长。
斯特劳哈尔数公式 St fsD / U
仿真分析 Re=10 时的速度云图
流线对涡结构
Re=50压力云图
速度云图此时出现涡街
Re=50 观测升力震荡
残差线震荡
Re=100
Re=100000
Re=100000 残差与升力检测
Re=10 Re=100
Re=50 Re=100000
阻力系数
Re
Cd
10
2.24
50
1.83
100
1.67
100000
1.05
CFX三维圆柱扰流分析 —卡门涡街模拟
分析过程
1.建模与网格划分 2.参数设置 3.结果与分析
几何模型
建立如图所示的几何模型，给各面按图所示命名。圆柱的长为0.3，直径0.1，圆柱圆心到INLET和TOP， DOWN的距离为0.5，距离OUTLET为2
3D网格
按左图切分 BLOCK
按左图布点， Z方向10等分
网格总数100000 Quality 0.85
圆柱周边网格
边界条件设置
Inlet、Top、Down: velocity inlet（速度值以Re决定） Body：wall no slip Outlet：opening Side、Sym: symmery 非定常仿真湍流模型：层流（Re<300）、大涡模拟（Re>300）流体属性：空气（不可压）

圆柱绕流问题的三种网格划分

中山大学工学院计算流体力学实验报告实验名称：圆柱绕流问题的三种网格划分姓名：刘广参与组员：刘广学号：11309018任课教师：詹杰民学科专业：工学院理论与应用力学中山大学2014年04月05日图1对于四个面，如图2所示，参数interval count我们选择10，点击apply效果如图3所示。

图2Page 3 of 12图3下面我们对其划分的网格进行质量分析。

点击面板进入网格分析区域，就是Examine Mesh面板当中，Display Type我们选择Rang，2D Element，三角形网格类型，点击下方update 就可以看到如图4所示网格质量图。

图4Page 4 of 12我们继续看图5所示的网格质量分析数据，可以看到，三角形网格一共有1324个，其中在圆柱后方的若干区域网格质量最差。

图5最差质量的网格如图6所示。

图6接下来我们开始介绍矩形网格划分。

如下图7所示；我们首先画四段四分之一圆弧，其中圆弧对应的圆周半径为1.然后我们再绘制如图所示的矩形。

其中外部的矩形长32，宽22，并做如下图所示的划分。

其中详细作图步骤在上次实验报告中有详细叙述，这里不再赘述。

所示图7中有八个面，其中圆形上的点为对圆形进行45度划分。

现在我们选择矩形网格对Page 5 of 12其进行划分，图7对于八个面，如图8所示，参数interval count我们选择10，点击apply效果如图9所示。

图8Page 6 of 12图9下面我们对其划分的网格进行质量分析。

点击面板进入网格分析区域，就是Examine Mesh面板当中，Display Type我们选择Rang，2D Element，矩形网格类型，点击下方update就可以看到如图10所示网格质量图。

图10我们继续看图11所示的网格质量分析数据，可以看到，矩形网格一共有20000个，其中在Page 7 of 12圆柱上方、左方、右方、后方的若干区域网格质量最差。

圆柱绕流

二维圆柱绕流摘要:采用有限体积法求解二维N -S 方程，对雷诺数1,10,100的二维圆柱非定常流场进行了数值模拟，对比各雷诺数下其流动情况发现，在Re=1时，圆柱上下游的流线前后对称，此Re 数范围的绕流称为斯托克斯区；随着Re 的增大，圆柱上下游的流线逐渐失去对称性。

当Re=10时，沿圆柱表面流动的流体在到达圆柱顶点（90度）附近就离开了壁面，分离后的流体在圆柱下游形成一对固定不动的对称漩涡（附着涡），涡内流体自成封闭回路而成为“死水区”；随着Re 的增大，死水区逐渐拉长圆柱前后流场的非对称性逐渐明显，此Re 数范围称为对称尾流区。

圆柱下游流场不再是定常的，圆柱后缘上下两侧有涡周期性地轮流脱落，形成规则排列的涡阵，这种涡阵称为卡门涡街。

1. 圆柱绕流研究圆柱绕流是一个经典的流体力学问题，流体绕圆柱体流动时，过流断面收缩，流速沿程增加，压强沿程减小，由于粘性力的存在，，就会在柱体周围发生边界层的分离，形成圆柱绕流。

圆柱绕流现象比较复杂，因此，对圆柱绕流研究具有重要的基础理论意义。

研究圆柱绕流问题在工程实际中也具有非常重要的意义。

如水流对桥梁、海上钻井平台支柱、海上输运管线、桩基码头等的作用中，风对塔设备、化工塔设备，高空电缆等的作用中，都有着重要的工程应用背景。

因此，对圆柱绕流进行深入研究，对其流动机理进行分析，不仅具有理论意义，还有明显的社会经济效益。

2. 数值方法因为本文主要求解雷诺数Re=1,10,100时的圆柱绕流情况，需要求解二维非定常不可压的N—S 方程组：本文采用有限体积法对上述微分方程进行离散，然后用SIMPLE 算法对离散方程进行求解，计算中时间推进采用二阶隐式格式，空间离散采用三阶精度的QUICK 格式。

控制方程如下：0jju x ∂=∂ (1) 1()()ji j i j j j ju u p u u t x u x x νρ∂∂∂∂∂+=-+∂∂∂∂∂ (2) 3. 网格划分及模拟工况3.1计算网格计算的区域大小为上游边界距圆柱圆心为2.5D ，下游边界距圆柱圆心10D ，顶部和底部边界距圆柱圆心2.5D ，如图1所示。

4.4 圆柱绕流(10)

4.4圆柱绕流钝体绕流是流体力学领域内的经典问题，人们之所以对其研究的热情经久不衰，一是由于其中很多重要的流动机理至今仍不清楚，二是其广泛应用于许多工程当中，如能源工程、水利工程和船舶工程等。

因此对钝体绕流进行研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有广泛的工程应用价值。

4.4.1基本理论与物理模型对于不可压缩粘性流体，在直角坐标系下，其运动规律可用Navier-Stokes 方程来描述，连续性方程和动量方程分别为：0jjU X ∂=∂ （4-4-1）()1()X j i i i j i j jU U U U P v t X X X ρ∂∂∂∂∂+=-+∂∂∂∂∂ （4-4-2）计算区域如图4-4-1所示（单位：mm ）图4-4-1 计算区域示意图4.4.2在Gambit 中建立模型Step1：启动Gambit 并选择求解器为Fluent5/6。

Step2：创建节点操作：→→打开对话框如图4-4-2所示，在对话框中输入各各节点的x 、y 坐标值，各坐标分别为（0，0，0）、（1，0，0）、（1，0.2，0）、（0，0.2，0）、（0.2，0.1，0）、（0.18，0.1，0）和（0.2，0.08，0），此时图形如图4-4-3所示。

图4-4-2 创建点对话框图4-4-3 创建的点示意图Step3：由节点创建线（1）创建直线操作：→→打开对话框如图4-4-4所示，Shift+鼠标左键依次点击计算区域外围四个点，点击Apply 确认。

图4-4-4 创建直线对话框图4-4-5 创建圆对话框（2）创建中间圆操作：→→打开对话框如图4-4-5所示，在Method中选择过圆心和两点画圆，在Center中选择圆心，在End-Points中选择另外两点。

Step4：由边线创建面操作：→→打开创建面对话框如图4-4-6所示，Shift+鼠标左键依次点击计算区域外围边线上的各条线段。

点击Apply确认。

同样的，可创建中间圆面。

圆柱绕流的算例

二、Fluent计算圆柱绕流算例
用PIV方法，我们通过实验得到了圆柱后面卡门涡街流场的信息，现在，我们通过Fluent来计算相同条件下的圆柱绕流。

选择一个长15cm，宽12cm的矩形区域作为计算区域，中间有一个直径为2cm的圆柱，左端定义为速度边界，来流速度为6.25cm/s（这样可以保证圆柱上下两侧的速度平均值为7.5cm/s，与PIV实验的条件一致），右端是出口边界，其它边界为固壁。

在二维条件下计算这个绕流问题（Re=1393）。

图2-4-3显示了上述计算区域和边界条件。

图2-4-3 二维圆柱绕流的计算区域和来流条件
在gambit当中进行网格划分，在圆柱边界附近，网格非常密，图2-4-4显示了靠近圆柱附近的部分网格：
图2-4-4圆柱附近的网格
在Fluent中进行计算，相关参数分别选择如下表：
计算之后，我们得到了圆柱绕流的尾迹，它的流线图以及涡量分布图分别图2-4-5（a, b）所示：
从上述涡量分布可以看出，在圆柱下游，也有两条辫子一样形状的涡量层，在下游稍微远端交替甩动。

比较PIV方法得到的照片，我们也看到了这样的两个辫子一样的涡量层，其分布位置与计算所得的结论是一致的。

比较这个时刻的流线图也可以看出来，它们的流线分布
也基本是一致的。

这说明，PIV方法是可靠的。

二维圆柱绕流

二维圆柱绕流问题问题描述：将三维的悬空管道涡激振动问题简化为二维的圆柱绕流问题，描述其漩涡的脱落以及圆柱面的压力情况变化，流场的分布，为三维的模拟进行准备。

1.不考虑海底影响，考虑重力加速度，海面对称边界，网格采用4边形网格。

流速为0.2m/s ，圆柱直径D 为0.245m ，高10m ，长12m ，圆柱距离outflow 出口为10m ，距离海底为5m 。

模型如下图1所示：图1 不考虑海底的模型尺寸图采用标准的εk -湍流模型，湍流强度I 采用下式求得：0415.0)(16.0Re 16.0125.0125.0=⨯⨯=⨯=--vd u I 水力直径D=0.245。

圆柱处的升力曲线如图2所示，阻力曲线如图3所示。

压力云图，速度云图和涡量云图分别为图4、5、6所示。

图2 升力曲线图3 阻力曲线图4 压力云图图5 速度云图图6 涡量云图2.不考虑海底，不考虑重力加速度，海面对称边界，采用4边形网格。

不考虑重力，其他设置一样，升力曲线，阻力曲线如图7、8所示。

压力云图、速度云图和涡量云图如图9、10、11所示。

结论：如果不加重力的话，是不对的。

3.考虑海底（圆柱中心离海底为1m），海面对称边界，4边形网格。

流速为0.2m/s，圆柱直径D为0.245m，高10m，长12m，圆柱中心距离outflow出口为10m，距离海底为1m。

模型尺寸如图12：图12 模型尺寸图4.考虑海底（圆柱中心离海底为1m），海面墙壁边界，4边形网格。

5.考虑海底（圆柱中心离海底为0.5m），海面墙壁边界，4边形网格。

总结：由于间隙的减小，脱曳力系数和升力系数都相应的增加，管道所受外力增加，且由于升力的增加，使得管道在竖直方向上的位移减小。