FLUENT软件在圆柱绕流模拟中的应用
用Fluent计算二维圆柱绕流
边界层网格（一）
边界层网格：mesh/boundary layer/create boundary layer 边界层网格设置有两种方法：uniform or aspect ratio based
Uniform包含四个参数： first row（a）指定第一层边界层的厚度 Growth factor（b/a）边界层厚度增长的比例，但如果相邻 边的节点分布已经确定，则网格会自动调整 Rows边界层层数 Depth（D）总的边界层厚度 这四个参数中任意设定三个，则程序会自动算出第四个参 数的值
使用Gambit生成网格
确定几何形状
点 ——> 直线、曲线 —封闭—> 面（特殊面） 布尔运算(Unit, Subtract, Intersect)，移动和拷贝(Move/Copy) 分裂与合并(Split, Merge)，连接与解除连接(connect, disconnect)
生成计算网格
线网格 ——>（边界层网格） ——> 面网格（结构、非结构） 单元形式：三角形单元、四边形单元、混合单元
网格类型
结构网格（structured grid ）
节点排列有序、邻点间的关系明确
非结构网格（unstructured grid）
节点位置无法用一个固定的法则排序 生成过程复杂，但有极好的适应性
Gambit网格生成
结构网格 —— Map 块结构网格 —— Submap 非结构网格 —— Pave
用Fluent计算二维圆柱绕流
王吉飞 wangjifei@
主要内容
计算流体力学简介
Fluent软件简介 二维圆柱绕流标准算例
正交双圆柱绕流建模及模拟
三维风洞动态数字试验的模拟——正交双圆柱绕流根据实际需要，采用与模拟软件匹配的的建模软件构建模型，以便能够绘制网格及进行模拟计算，本试验将采用Gambit软件建模及绘制网格，再倒入Fluent 中进行计算。
实验要求：本次试验与实际风洞测试结合，风洞尺寸为1000*300*300mm，风洞中均为直径d=1mm的两圆柱，两圆柱正交放置，间距为6mm。
进口风速取1m/s。
一、构建模型1、打开Gambit软件，选择求解器Solver-FLUENT5/62、建立风洞模型，点击Operation—Geometry—V olume—Create Real Brick，选择坐标系，输入尺寸1000*300*300，将Direction改为，点击apply。
3、点击Active下面的、按钮，调整风洞模型在可视窗口中自适应的尺寸，如下图所示。
（注：鼠标左键点击图形，可对图形进行旋转，点击，即可恢复）4、建立双圆柱模型，输入尺寸height 300mm,r=0.5mm，选择，点击apply创建第一个圆柱，同理，改为，创建第二个圆柱，尺寸不变。
5、移动圆柱。
按下图输入移动坐标，按住shift键，点击鼠标左键选择圆柱体，分别移动Z向和Y向圆柱，圆柱间距保持6d=6mm。
6、将两圆柱从风洞中挖去。
通过布尔算符，选择subtract,第一个volumes中选择风洞，第二个volumes中选中两圆柱（注意：两个都要选中），点击apply。
7、复制移动进口面。
本试验主要关注圆柱附近的监控点模拟情况，故而需要使得前后网格疏密不同（关注部分局部加密）。
选择——，选中进口面，选择输入X方向300。
8、将原风洞分为两个风洞。
针对体的情况下，选择分别选中整体（此时只有一个体）和中间分界面。
注意：spilt with应调整为Faces(real),且将系统默认的connected点击不进行，这样才能产生两个面，后面会提到这样设置的作用。
二、网格绘制1、绘制线网格由于圆柱部分是重点关注的，可从线网格开始。
圆柱绕流的fluent数值模拟-算例演示
Fluent运算
（3）选择基本物理模型 单击导航栏中的Models，打开Models面板，双击Energy-Off，弹出 对话框。对勾勾中，单击OK；双击Viscous-Laminar，弹出对话框 选择K-epsilon(2eqn)，保持默认参数，单击OK。
Fluent运算
（4）设置材料属性 单击导航栏中的Materials，打开Materials面板，单击Create/Edit， 在材料编辑对话框中单击Fluent Datebase，打开材料库选择材料 water-liquid（h2o<1>）,单击copy。
创建几何模C型reate a geometric model
（14）生成网格 生成壳网格，单击Compute生成网格。
创建几何模C型reate a geometric model
（15）观察并保存网格 File选择Mesh，单击Save Mesh As，保存生成的网格为Vertex.uns。
创建几何模C型reate a geometric model
创建几何模C型reate a geometric model
（3）创建Point 其余点根据基点偏移生成，左键选中，中键确定
创建几何模C型reate a geometric model
（4）创建线 创建两个点 之间的curve,依次确定两点，中键确定
创建几何模C型reate a geometric model
创建几何模C型reate a geometric model
（8）删除所有的点和线，英文输入法下左键选中整个区域按键盘V键
创建几何模C型reate a geometric model
（9）创建几何模型拓扑结构
创建几何模C型reate a geometric model
流体力学Fluent报告——圆柱绕流之欧阳家百创编
亚临界雷诺数下串列双圆柱与方柱绕流的数值模拟欧阳家百（2021.03.07）摘要：本文运用Fluent软件中的RNG k-ε模型对亚临界雷诺数下二维串列圆柱和方柱绕流问题进行了数值研究，通过结果对比，分析了雷诺数、柱体形状对柱体绕流阻力、升力以及涡脱频率的影响。
一般而言，Re数越大，方柱的阻力越大，圆柱体则不然；而Re越大，两种柱体的升力均越大。
相对于圆柱，同种条件下，方柱受到的阻力要大；相反地，方柱涡脱落频率要小。
Re越大，串列柱体的Sr数越接近于单圆柱体的Sr数。
关键字：圆柱绕流、升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔数在工程实践中，如航空、航天、航海、体育运动、风工程及地面交通等广泛的实际领域中，绕流研究在工程实际中具有重大的意义。
当流体流过圆柱时 , 由于漩涡脱落，在圆柱体上产生交变作用力。
这种作用力引起柱体的振动及材料的疲劳，损坏结构，后果严重。
因此，近些年来，众多专家和学者对于圆柱绕流问题进行过细致的研究，特别是圆柱所受阻力、升力和涡脱落以及涡致振动问题。
沈立龙等[1]基于RNG k⁃ε模型，采用有限体积法研究了亚临界雷诺数下二维圆柱和方柱绕流数值模拟，得到了圆柱和方柱绕流阻力系数Cd与Strouhal 数随雷诺数的变化规律。
姚熊亮等[2]采用计算流体软件CFX中LES模型计算了二维不可压缩均匀流中孤立圆柱及串列双圆柱的水动力特性。
使用非结构化网格六面体单元和有限体积法对二维N- S方程进行求解。
他们着重研究了高雷诺数时串列双圆柱在不同间距比时的压力分布、阻力、升力及Sr 数随Re数的变化趋势。
费宝玲等[3]用FLUENT软件对串列圆柱绕流进行了二维模拟，他们选取间距比L/D(L为两圆柱中心间的距离，D为圆柱直径)2、3、4共3个间距进行了数值分析。
计算均在Re = 200 的非定常条件下进行。
计算了圆柱的升阻力系数、尾涡脱落频率等描述绕流问题的主要参量，分析了不同间距对圆柱间相互作用和尾流特征的影响。
FLUENT系列资料3之直排圆柱绕流
圆柱绕流（顺排）1、流动问题如图给出了圆柱绕流的计算区域的几何尺寸, 其中L=1.2m，W=0.5m，r=0.02m，l2=0.1m，l1=0.2m，入口速度为0.01m/s，圆柱横向间隔0.1m，竖向间隔为0.1m，分析不同排列方式的流场情况。
本例涉及到：一、利用GAMBIT建立圆柱绕流的计算模型（1）在CAD中画出圆柱绕流的图形（2）将CAD图形输出为*.sat的文件格式（3）用GAMBIT读入上面输出的*.sat文件（4）对各条边定义网格节点的分布（5）在面上创建网格（6）定义边界内型（7）为FLUENT5/6输出网格文件二、利用FLUENT-2D求解器进行求解（1）读入网格文件（2）确定长度单位：MM（3）确定流体材料及其物理属性（4）确定边界类型（5）计算初始化并设置监视器（6）使用非耦合、隐式求解器求解（7）利用图形显示方法观察流场与温度场一、前处理——用CAD画出圆柱绕流的结构图并导入GAMBIT中在CAD中按所给的尺寸画出圆柱绕流的结构图，画完后输出为drawing1.sat的文件（如图1所示）。
CAD中的操作：文件→输出…点击保存到你想保存到的文件夹中。
圆柱绕流的结构图图1 CAD保存为sat格式的文件启动GAMBIT ，建立一个新的GAMBIT文件。
第1步：确定求解器选择用于进行CFD计算的求解器。
操作：Solver→FLUENT5/6第2步：导入圆柱绕流的结构图操作：File→Import→ACIS…点击Browse找到刚才从CAD中输出的drawing1.sat文件，选中后点击Accept即可导入所需的图形。
（需在CAD中将所画的图形创建成面域，否则无法读入）第3步：确定边界线的内部节点分布并创建结构化网络1、创建各条边上的节点分布操作：MESH→EDGE→打开的“MESH Edges”对话框如图2所示。
（1）点击Edges右侧的黄色区域，使其处于活动状态；（2）Shift+鼠标左键，点击所需划分的边线；（3）选择Interval size，并输入值10；（4）点击Apply，生成各条边上的节点分布。
流体力学Fluent报告——圆柱绕流
亚临界雷诺数下串列双圆柱与方柱绕流的数值模拟摘要：本文运用Fluent软件中的RNG k-ε模型对亚临界雷诺数下二维串列圆柱和方柱绕流问题进行了数值研究，通过结果对比，分析了雷诺数、柱体形状对柱体绕流阻力、升力以及涡脱频率的影响。
一般而言，Re数越大，方柱的阻力越大，圆柱体则不然；而Re越大，两种柱体的升力均越大。
相对于圆柱，同种条件下，方柱受到的阻力要大；相反地，方柱涡脱落频率要小。
Re越大，串列柱体的Sr数越接近于单圆柱体的Sr数。
关键字：圆柱绕流、升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔数在工程实践中，如航空、航天、航海、体育运动、风工程及地面交通等广泛的实际领域中，绕流研究在工程实际中具有重大的意义。
当流体流过圆柱时 , 由于漩涡脱落，在圆柱体上产生交变作用力。
这种作用力引起柱体的振动及材料的疲劳，损坏结构，后果严重。
因此，近些年来，众多专家和学者对于圆柱绕流问题进行过细致的研究，特别是圆柱所受阻力、升力和涡脱落以及涡致振动问题。
立龙等[1]基于RNG k⁃ε模型，采用有限体积法研究了亚临界雷诺数下二维圆柱和方柱绕流数值模拟，得到了圆柱和方柱绕流阻力系数C与 Strouhal 数d随雷诺数的变化规律。
熊亮等[2]采用计算流体软件CFX中LES模型计算了二维不可压缩均匀流中孤立圆柱及串列双圆柱的水动力特性。
使用非结构化网格六面体单元和有限体积法对二维N- S方程进行求解。
他们着重研究了高雷诺数时串列双圆柱在不同间距比时的压力分布、阻力、升力及Sr数随Re数的变化趋势。
费宝玲等[3]用FLUENT软件对串列圆柱绕流进行了二维模拟，他们选取间距比L/D(L为两圆柱中心间的距离，D为圆柱直径)2、3、4共3个间距进行了数值分析。
计算均在 Re = 200 的非定常条件下进行。
计算了圆柱的升阻力系数、尾涡脱落频率等描述绕流问题的主要参量，分析了不同间距对圆柱间相互作用和尾流特征的影响。
圆柱绕流的一个重要特征是流动形态取决于雷诺数。
流体力学Fluent报告——圆柱绕流
亚临界雷诺数下串列单圆柱与圆柱绕流的数值模拟之阳早格格创做目要：原文使用Fluent硬件中的RNG k-ε模型对付亚临界雷诺数下二维串列圆柱战圆柱绕流问题举止了数值钻研，通过截止对付比，分解了雷诺数、柱体形状对付柱体绕流阻力、降力以及涡脱频次的效率.普遍而止，Re数越大，圆柱的阻力越大，圆柱体则可则；而Re越大，二种柱体的降力均越大.相对付于圆柱，共种条件下，圆柱受到的阻力要大；好异天，圆柱涡脱降频次要小.Re越大，串列柱体的Sr数越靠近于单圆柱体的Sr数.闭键字：圆柱绕流、降力系数、阻力系数、斯特劳哈我数正在工程试验中，如航空、航天、航海、体育疏通、风工程及大天接通等广大的本量范畴中，绕流钻研正在工程本量中具备要害的意思.当流体流过圆柱时, 由于漩涡脱降，正在圆柱体上爆收接变效率力.那种效率力引起柱体的振荡及资料的疲倦，益坏结构，成果宽沉.果此，近些年去，稠稀博家战教者对付于圆柱绕流问题举止过细致的钻研，特天是圆柱所受阻力、降力战涡脱降以及涡致振荡问题.沈坐龙等[1]鉴于RNG k⁃ε模型，采与有限体积法钻研了亚临界雷诺数下二维圆柱战圆柱绕流数值模拟，得到了圆柱战圆柱绕流阻力系数Cd与Strouhal 数随雷诺数的变更顺序.姚熊明等[2]采与估计流体硬件CFX中LES模型估计了二维不可压缩匀称流中孤坐圆柱及串列单圆柱的火能源个性.使用非结构化网格六里体单元战有限体积法对付二维N- S圆程举止供解.他们着沉钻研了下雷诺数时串列单圆柱正在分歧间距比时的压力分集、阻力、降力及Sr数随Re数的变更趋势.费宝玲等[3]用FLUENT硬件对付串列圆柱绕流举止了二维模拟，他们采用间距比L/D(L为二圆柱核心间的距离，D为圆柱直径)2、3、4共3个间距举止了数值分解.估计均正在Re = 200 的非定常条件下举止.估计了圆柱的降阻力系数、尾涡脱降频次等形貌绕流问题的主要参量，分解了分歧间距对付圆柱间相互效率战尾流个性的效率.圆柱绕流的一个要害个性是震动形态与决于雷诺数.Lienhard[4]归纳了洪量的真验钻研截止并给出了圆柱体尾流形态随雷诺数变更的顺序.当Re<5时，圆柱上下游的流线呈对付称分集,流体本去不摆脱圆柱体，不旋涡爆收.此时与理念流体相似，若改变流背，上下游流形仍相共.当5<Re<40时,鸿沟层爆收分散,分散剪切层正在圆柱体里前产死一对付宁静的“附着涡”.当40<Re<150时，震动脆持层流状态而且流体旋涡接替天从圆柱后部做周期性的脱降并正在尾流中产死二列接叉排列的涡，即卡门涡街.从150<Re<300启初，旋涡里里启初由层流背湍流转捩，直至减少至3x105安排，此时圆柱体表面附近的鸿沟层仍为层流，所有涡街渐渐转化成湍流，及e<3xl05称为亚临界天区.当3xl05<Re<3.5x106时,鸿沟层的震动也渐渐趋于湍流状态，尾流中不明隐的涡街结构，称为临界状态.[5]圆柱绕流的另一个隐著个性是斯特劳哈我数是雷诺数的函数.早正在1878年，捷克科教家Strouhal[6]便对付风吹过金属丝时收出鸣喊声做过钻研，创造金属丝的风鸣音调与风速成正比,共时与弦线之细细成反比，并提出估计涡脱降频次f的体味公式:式中即斯特劳哈我数Sr由Re所唯一决定.原文使用Fluent硬件中的RNG k-ε模型对付亚临界雷诺数下二维串列圆柱战圆柱绕流问题举止了数值钻研，通过截止对付比，分解了雷诺数、柱体形状对付柱体绕流阻力、降力以及涡脱频次的效率.1.数教模型1.1统造圆程对付于停止圆柱绕流，原文钻研对付象为二维不可压缩震动.正在直角坐标系下，其疏通顺序可用N-S圆程去形貌，连绝性圆程战动量圆程分别为:其中ui为速度分量；p为压力；ρ为流体的稀度；ν为流体的能源黏性系数.对付于湍流情况，原文采与RNG k⁃ε模型，RNG k⁃ε模型是k⁃ε模型的矫正规划.通过正在大尺度疏通战建正后的粘度项体现小尺度的效率，而使那些小尺度疏通有系统天从统造圆程中去除.所得到的k圆程战ε圆程，与尺度k⁃ε模型非常相似，其表白式如下：其中Gk为由于仄衡速度梯度引起的湍动能的爆收项，，，体味常数=0.084 5，==1.39，=1.68.相对付于尺度k⁃ε模型，RNG k⁃ε模型通过建正湍动粘度，思量了仄衡震动中的转动及转动震动情况，RNG k⁃ε模型不妨更佳的处理下应变率及流线蜿蜒程度较大的震动.1.2相闭参数圆柱绕流的相闭参数主要有雷诺数Re、斯特劳哈我数Sr、降力系数Cl战阻力系数Cd，底下给出各个参数的估计公式战物理意思.雷诺数Re与圆柱绕流的状态战雷诺数有很大闭系，雷诺数代表惯性力战粘性力之比：其中U为去流速度；L为个性少度，原文与圆柱直径或者圆柱边少；为流体稀度；、分别为流体介量能源粘度战疏通粘度.斯特劳哈我数Sr是Strouhal 指出圆柱绕流后正在圆柱后里不妨出现接替脱降的旋涡，旋涡脱降频次、风速、圆柱直径之间存留一个闭系：式中：Sr为斯托罗哈数，与决于结构的形状断里；f 为旋涡脱降频次；L为结构的个性尺寸； U 为去流速度.阻力系数战降力系数是表征柱体阻力、降力的无量目参数.定义为：，式中ρ为流体稀度；V为去流速度；A为迎流截里里积；战.由于涡脱降的闭系，阻力系数将爆收振荡，原文采用仄衡脉动降力去钻研，即与圆均根值去钻研.2.数值估计2.1物理模型二维数值模拟单圆柱流场估计天区的采用如图1所示，圆柱绕流以圆柱体直径为个性尺度D，采用圆柱半径为1.5 mm，估计天区为9D×32D的矩形天区.柱1距上游少度图 1 串列圆柱战圆柱的估计天区5D，下游少度27D，脆持二柱间距 L/D= 2. 5D稳定 (L是二圆柱核心连线少度)，二柱到上下鸿沟距离相等.对付于圆柱绕流，采用圆柱边少为个性少度，D=30mm.2.2网格区分估计天区采与分块结构化网格，柱体表面网格干加稀处理，鸿沟区网格相对付稠稀.简直网格区分情况睹图2.其中串列圆柱网格31116个节面，30615个四边形里单元；串图 2 圆柱绕流与圆柱绕流估计域的网格区分列圆柱46446个节面，46550个四边形里单元.2.3鸿沟条件管讲壁里战柱体表面均采与无滑移的停止壁里条件.而出心采用速度出心，出心采用自由出流.去溜速度大小根据Re去树坐，雷诺数分300、3000、12000、30000四个等第，速度大小依次为0.1m/s、1m/s、4m/s、10m/s.2.4估计模型原文湍流模型采与尺度壁里函数的RNG k-ε模型.采与有限容积法供解二维不可压缩粘性流体非定常震动统造圆程，即把估计天区分成很圆柱近壁里网格多小的统造体，对付每个统造体的各个变量举止积分.统造圆程的对付流项采与二阶迎风圆法失集，速度战压力采与SIMPLE算法耦合供解，将所有天区瞅成一个完全举止耦合估计.动量、湍动能战湍动耗集率均采与二阶迎风圆法.先定常估计流场，再用定常估计的截止动做非定常迭代的初初值举止估计.根据初略估计的涡脱频次，牢固树坐时间步少为0. 002s, 正在每个时间步内树坐迭代次数为20.流体介量为液态火.3.估计截止3.1网格模型考证为考证网格独力性，原文估计了网格节面数为8346，里单元为8932的细网格、节面数为31116，里单元为30615的稀网格、节面数为63432，里单元为67434的细稀网格下Re=200、L/D=2的串列网格的Sr数，截止隐现三套网格的估计截止分别为0.143、0.133、0.133.故稀网格可用.而圆柱绕流则采与共级别网格.[7]的估计数据相比较，比较图像如图3所示，最大缺面为2.2%.图3串列圆柱分歧间距的Sr数估计对付比3.2流线与涡量图图 6 Re=3000圆柱绕流流线图图 7 Re=3000圆柱绕流涡量等值线图图 4 Re=3000圆柱绕流流线图图 5 Re=3000圆柱绕流涡量等值线图原文给出了估计历程中雷诺数Re=3000，t=1s时的流线图战涡量图.3.3阻力系数图 9 Re=3000圆柱绕流脉动阻力系数图 8 Re=3000圆柱绕流脉动阻力系数原文给出了Re=3000时，圆柱绕流战圆柱绕流的脉动阻力系数图如下.由图9战错误!未找到引用源。
流体力学Fluent报告——圆柱绕流
亚临界雷诺数下串列双圆柱与方柱绕流的数值模拟摘要：本文运用Fｌｕｅｎｔ软件中的RNＧk-ε模型对亚临界雷诺数下二维串列圆柱和方柱绕流问题进行了数值研究，通过结果对比,分析了雷诺数、柱体形状对柱体绕流阻力、升力以及涡脱频率的影响。
一般而言,Rｅ数越大,方柱的阻力越大，圆柱体则不然；而Rｅ越大,两种柱体的升力均越大。
相对于圆柱,同种条件下，方柱受到的阻力要大；相反地，方柱涡脱落频率要小。
Ｒe越大，串列柱体的Sr数越接近于单圆柱体的Ｓr数。
关键字：圆柱绕流、升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔数在工程实践中，如航空、航天、航海、体育运动、风工程及地面交通等广泛的实际领域中,绕流研究在工程实际中具有重大的意义。
当流体流过圆柱时, 由于漩涡脱落，在圆柱体上产生交变作用力。
这种作用力引起柱体的振动及材料的疲劳,损坏结构，后果严重。
因此,近些年来，众多专家和学者对于圆柱绕流问题进行过细致的研究，特别是圆柱所受阻力、升力和涡脱落以及涡致振动问题。
沈立龙等[1］基于RNG ｋ⁃ε模型,采用有限体积法研究了亚临界雷诺数下二维圆柱和方柱绕流数值模拟,得到了圆柱和方柱绕流阻力系数Ｃ与Ｓｔｒｏｄuhal 数随雷诺数的变化规律。
姚熊亮等［２］采用计算流体软件CFX中LES模型计算了二维不可压缩均匀流中孤立圆柱及串列双圆柱的水动力特性。
使用非结构化网格六面体单元和有限体积法对二维Ｎ-S方程进行求解。
他们着重研究了高雷诺数时串列双圆柱在不同间距比时的压力分布、阻力、升力及Sｒ数随Re数的变化趋势。
费宝玲等［3]用ＦＬUENT软件对串列圆柱绕流进行了二维模拟，他们选取间距比L/Ｄ(Ｌ为两圆柱中心间的距离，D为圆柱直径)2、3、４共３个间距进行了数值分析。
计算均在Re= ２0０的非定常条件下进行。
计算了圆柱的升阻力系数、尾涡脱落频率等描述绕流问题的主要参量,分析了不同间距对圆柱间相互作用和尾流特征的影响。
圆柱绕流的一个重要特征是流动形态取决于雷诺数。
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圆柱周围的流场利用 FLUENT 求得 ,采用有限 体积法和 SMPLEC 算法 。
[5 ] 叶春明 ,吴文权. 数值模拟圆柱绕流旋涡运动及尾流不 稳定性分析 [J ] . 工程 热 物 理 学 报 , 1997 , 18 (2) : 169 ～ 172.
[6 ] 陈斌 ,郭烈锦 ,杨晓刚. 圆柱绕流的离散涡数值模拟 [J ] . 自然科学进展 ,2002 ,12 (9) :964～969.
对均匀来流绕固定圆柱的二维平面流动 ,国内
收稿日期 :2004 - 07 - 30 作者简介 :徐元利 (1980 - ) ,女 ,河南南阳人 ,武汉大学动力与机械学院在读硕士研究生 ,从事流体过渡过程方面的研究 。
·40·
水利电力机械
2005 年 2 月
外许多学者进行过大量的研究 。决定圆柱绕流流态 的是雷诺数 ( Re) 的值 , Re < 5 时 ,流动不发生分离 , 5 < Re < 40 ,在圆柱体后面出现一对位置固定的旋 涡 ;40 < Re < 150 ,旋涡扩大 ,然后有一个旋涡开始脱 落 ,接着另一个也脱落 ,在圆柱体后面又生成新的旋 涡 ,这样逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡 , 即 Karman 涡街 。Re < 150 ,涡街是层流 ,150 < Re < 300 ,旋涡由层流向湍流转变 。300 < Re < 3 ×105 ,称 为亚临界区 。此时 ,柱体表面上的边界层为层流 ,而 柱体后面的涡街已完全转变为湍流 ,并按一定的频 率发放旋涡 。3 ×105 < Re < 3 ×106 , 称为过渡区 。 此时 ,柱体表面上的边界层也转变为湍流 ,分离点后 移 ,阻力显著下降 ,旋涡的发放不规则 ,发放频率是 宽频率随机的 。Re < 3 ×106 称为超临界区 。此时 , 重新建立起比较规则的准周期性发放的涡街 。目 前 ,对圆柱绕流的三维数值研究则不多 ,然而试验表 明 ,即使均匀来流垂直流过等截面的圆柱体 ,当 Re 足够大时 ,也会呈现三维的流动状态 。
边界条件 :进口和侧面边界始终为自由来流条 件 U ∞ = 1. 0 m/ s ,流动出口为零法向梯度出口边界 。
流体特性假定为常数 ,结果见表 1 。
表 1 流体特性
Re
20
密度ρ/ (kg/ m3)
1
动力粘度 μ/ (Pa2s)
0. 1
40
100
1
1
0. 05
0. 02
网格示意图如图 2 所示 。
第 27 卷 第 1 期 2005 年 2 月
水利电力机械 WATER CONSERVANCY & ELECTRIC POWER MACHINERY
Vol . 27 No. 1 Feb. 2005
·机械设计与制造·
FLUENT 软件在圆柱绕流模拟中的应用
Application of FLUENT software in the simulation of flow around a cylinder
圆柱绕流属于非定常分离流动问题 ,在工业工 程中的应用非常广泛 ,数值模拟是研究这类问题的 有力工具 。但是 ,控制方程的高度非线性以及边界 条件的多样性严重阻碍了这类问题的解决 。到目前 为止 ,有限差分 、有限元 、大涡模拟 (LES) 、直接数值 模拟 (DNS) 等方法都先后被应用 。但是 ,这些方法 都需要增加网格生成的附加工作 ,尤其是在遇到复 杂几何区域时更需要巨大的网格数量 ,大大影响计 算效率 。
Karman 涡街 ,随着雷诺数的增加 ,流动变得越来越复 杂 ,最后发展为湍流 。White[1]认为“圆柱涡流具有经 典性的重要意义”。
一般认为圆柱绕流有 2 种定常的流动图案 :雷诺 数为较小时 ,圆柱后无尾涡 ;当雷诺数为较大时 ,圆柱 后有一对对称的尾涡 。关于定常流失稳以及出现湍 流的临界雷诺数主要是通过应用流场显示技术观察 流动形态得到的 ,所以不是准确值。对于分界点雷诺 数就有不同的见解 ,Kovasznay ,Roshko 等认为定常流动 失稳的临界雷诺数大约为 40。而从周期性尾流到湍 流的详细的转变过程的实验研究似乎还是空白 。
图 2 网格剖分
Re = 20 和 Re = 40 时的流函数和速度矢量如图
3 、图 4 、图 5 、图 6 所示 ,流动是对称的 。
2 数学模型与数值方法
对不可压缩粘性流体 ,在直角坐标系下 ,其运动 规律可用 N2S 方程来描述 ,连续性方程和动量方程 分别为
9 uj/ 9 xj = 0 ,
徐元利1 ,徐元春2 ,梁兴1 ,张进国1 XU Yuan2li1 ,XU Yuan2chun2 ,L IANG Xing1 ,ZHANGJin2guo1
(1. 武汉大学 动力与机械学院 ,湖北 武汉 430072 ; 2. 河南油田采油一厂江河矿 ,河南 南阳 474780) (1. School of Power and Mechanical Engineering of Wuhan University ,Wuhan 430072 ,China ;2. Jianghe Ore Yard of
(2) 利用计算流体力学软件 FLUENT 可以成功 地模拟圆柱绕流问题 ,反映出流动特性 。
(3) 可以对大于 100 的雷诺数做进一步的研究 , 探讨其机理 。
参考文献 :
[1 ] Frank M. White. Viscous Fluid Flow [ M ] . McGraw2Hill Inc , 1974.
3 数值计算与结果讨论
一个无穷长直径为 2. 0 m 的圆面积柱体 ,放置 在无穷远来流速度为 1. 0 m/ s 不受干扰的均匀横流 中 ,其他参数如图 1 、图 2 所示 。
图 1 计算域
雷诺数由圆柱体直径和自由来流速度确定 。通
过改变粘度 ,得到不同的雷诺值 (20 ,40 ,100) , Re = ρUD/ μ ,当雷诺数为 100 时 , 试验的 Strouhal 数是 0. 165 , S = D/τU 。
图 6 速度向量图 ( Re = 40)
Re = 100 时的流函数和速度矢量如图 7 、图 8 所示 。
图 7 流函数等值线图 ( Re = 100)
图 8 速度向量图 ( Re = 100)
4 结论
(1) 计算结果表明 :当雷诺数增加时 ,流动表现 出一系列不同的构造 。在 Re < 40 时 ,存在一对位置 固定的旋涡 。Re > 40 时 ,流场开始变得不稳定 ,旋 涡扩大 、脱落 、又生成 ,逐渐发展成两排周期性摆动 和交错的旋涡 。与实验及数值模拟结果比较 ,确认 FLUENT 能够很好地预测流动结构 。
[7 ] 万德成. 用水深平均雷诺方程模拟有限长直立圆柱绕流 [J ] . 上海大学学报 ,1995 ,1 (3) :259～268.
(编辑 :王书平)
1 圆柱绕流理论分析研究的状况
一个世纪以来 ,圆柱绕流一直是众多理论分析 、 实验研究及数值模拟对象 。但迄今对该流动现象物 理本质的理解仍是不完整的 。圆柱绕流中 ,起决定 作用的是雷诺数 ,但还受到许多因素 ,如阻塞比 ,来 流湍流度 ,下游边界条件等的影响 。
随着雷诺数的增加 ,粘性不可压缩流体绕圆柱 的流动会呈现各种不同的流动状态 ,在小雷诺数时 , 流动是定常的 ,随着雷诺数的增加 ,圆柱后会出现一 对尾涡 。当雷诺数较大时 ,尾流首先失稳 ,出现周期 性的振荡 。而后附着涡交替 脱 落 , 泻 入 尾 流 形 成
[2 ] 酆庆增. 圆柱绕流的非线性动力学 [J ] . 力学进展 ,1994 , 24 (4) :525～544.
[3 ] 苏铭德 ,康钦军. 亚临界雷诺数下圆柱绕流的大涡模拟 [J ] . 力学学报 ,1999 ,31 (1) :100～105.
[4 ] 叶春明 ,吴文权.995 ,17 (4) :25～30.
(1)
9 ui 9t
+
9 9 xj
(
uj ui )
=-
1 9P ρ 9 xi
+
9 9 xj
ν9 ui 9 xj
。(2)
图 3 流函数等值线图 ( Re = 20)
第 27 卷第 1 期
徐元利 ,等 :FLUENT 软件在圆柱绕流模拟中的应用
·41·
图 4 速度向量图 ( Re = 20)
图 5 流函数等值线图 ( Re = 40)
the 1st Petroleum Production Factory of the Henan Oil Field ,Nangyang 474780 ,China)
摘 要 :使用计算流体力学软件 FLUENT ,模拟均匀来流绕固定圆柱的流动 ,模拟雷诺数为 20 ,40 ,100 时的绕 流流动 ,得到流场的流函数等值线图和速度矢量图 。计算结果表明 :当雷诺数增加时 ,流动表现出一系列不 同的构造 。在雷诺数约为 40 前后流场有明显变化 。小于这个数时 ,存在一对位置固定的旋涡 。大于 40 时 , 流场开始变得不稳定 ,旋涡扩大 、脱落 、又生成 ,逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡 。并与实验及数值 模拟结果比较 ,确认 FLUENT 能够很好地预测流动结构 。 关键词 :圆柱绕流 ;FLUENT 软件 ;雷诺数 中图分类号 :TP311. 56 :TB126 文献标识码 :A 文章编号 :1006 - 6446 (2005) 01 - 0039 - 03 Abstract :Uniform flow around a mounting cylinder is simulated with the application of FLUENT software while Reynolds number is 20 ,40 ,100. Stream function and velocity vector distributions are indicated. The results show that a series of construction appears as Reynolds number increases. When Re is around 40 , flow pattern changes :there is a pair of mount2 ing vortex with Re less than 40 ;on the contrary it becomes unsteady and vortex expand , slough ,generate again until two rows of periodic swing and overlap vortex form. Compared with experimental results ,it is confirmed that FLUENT can well predict flow structure. Key words :flow around a circular cylinder ;FLUENT software ;reynolds number