方柱流致横向振动的CFD数值模拟
两种典型截面立柱绕流特性数值模拟
两种典型截面立柱绕流特性数值模拟郭传山;黄维平;曹淑刚;周阳【摘要】为观察圆形截面和方形截面2种典型截面形式的立柱在绕流上的异同,采用Fluent对这2种截面形式的立柱进行不同折合速度和不同来流角度下的绕流数值模拟.从立柱受力、流体力轨迹曲线及涡泄模式等方面进行结果的分析和对比可知:方形立柱在绕流时流体分离点是固定的,且在相同条件下方柱的斯托哈尔数要比圆柱的小.此外,方柱绕流特性随来流角度的变化而有所变化,方柱的流体力统计值也与圆柱有较大区别,但二者的升阻力频率具有相同的关系.【期刊名称】《船舶与海洋工程》【年(卷),期】2017(033)003【总页数】8页(P4-11)【关键词】圆柱;方柱;绕流;数值模拟【作者】郭传山;黄维平;曹淑刚;周阳【作者单位】中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,山东青岛 266100;中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,山东青岛 266100;中能电力科技开发有限公司,北京 100034;国家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州 310012【正文语种】中文【中图分类】U661.1流体绕流物体的流动问题在工程实际中较为常见，如风绕流各种建筑物、河水流过桥墩等。
流经柱体的流体会变得极不稳定，进而在柱体后方产生交替释放的漩涡，从而导致柱体受到交替变化的流体力，严重时引起柱体产生共振，使得其结构发生严重损坏。
因此，掌握流体绕经物体的特性对工程实际和工业发展都非常重要。
实际上，对圆柱绕流及涡激运动特性的研究已历经了半个世纪。
物理试验方面：ROSHOKO[1]在试验中发现圆柱的尾流状态与雷诺数有关；TANEDA[2-3]利用流场显示技术观测圆柱尾涡变化规律；数值模拟方面：BREUER[4]采用大涡模型对大雷诺数条件下的圆柱绕流进行数值模拟；PHUOCLOC等[5]模拟圆柱绕流初期的二次涡结构。
与圆柱相比，对方形截面立柱的研究却较少，但这种柱体在工程实际中并不少见，尤其是海洋工程中的半潜式平台、张力腿平台等经常采用方形截面形式的立柱。
方柱绕流的数值模拟
价值 ． 是能够 将方 柱或 其 它类 似 的障碍 物对 流 但 场 的 影 响 ， 别 是 流 体 撞 击 障碍 物后 的 流 场 分 特
布 ， 力分 布 以及 障碍 物后 方 的流 动状态 等等 清 压 晰地 展 示 出来 的方 法是 罕 见 的 ． 日常 生 活 中 ， 在
收稿 日期 ： ２ ０ ０ ６—０ ４—１ ７
式 中 ， 为 Ｙ 向流 速 ；１ 为 ｚ 向 流速 ； 为 ， ／ Ｐ
压力 ； ｐ为流体 密度 ； 为流体 动 力学粘 性 系数 ． 方 柱周 围 的流 场 利用 Ｆ ＵＥ Ｔ 求 得 ， 用 Ｌ Ｎ 利
作者 简介 ： 王建（ ９ ９ ， ， １７ 一）男 辽宁开原人 ， 士研究生在读 ， 硕 主要从事流体计算 的研究
区长 度 和 Ｒｅ的关 系 ， 后通 过 与 其 他文 献 数 据 最
的 比较 ， 明本 文 模 拟结 果 的正确 性 ． 证 同时 对方 柱位 于流场 中央 的情 况 进 行 模 拟 ， 析 当 Ｒｅ 分 ＝ ２ ０时形 成 的漩 涡 变化情 况 ． ０
象 是方 柱位 于流场 的 中央 ， 因此可 用方柱 绕 流 的 计算 来模 拟风 载 荷 或水 载 荷 对 建 筑物 的作 用 力 大小 、 应力 分 布等 ． 如果 经 过 分析 可 以全 面 的并
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第２ １卷
２０ ６ ０ ７．
第 ２期
沈
阳
化
工
学
院
学
报
Ｖ １２ Ｎ０ ２ ｏ． １ ． Ｊｎ２０ ｕ ．０ ７
Ｊ ＲＮ ＨＥ ＯＵ ＡＬ ＯＦ Ｓ ＮＹＡ ＮＳ ＴＵ Ｆ Ｃ Ｅ Ｉ Ａ Ｃ ＯＬ ＮＧ Ｉ ＴＩ ＴＥ Ｏ Ｈ Ｍ Ｃ Ｌ ＴＥ ＨＮ ＯＧＹ
有攻角方柱涡致振动的数值研究
有攻角方柱涡致振动的数值研究汤兆烈; 周本谋【期刊名称】《《振动与冲击》》【年(卷),期】2019(038)022【总页数】6页(P124-129)【关键词】涡致振动; 方柱; 质量比; 高分支【作者】汤兆烈; 周本谋【作者单位】南京理工大学瞬态物理重点实验室南京210094【正文语种】中文【中图分类】P751; O351.2流致振动广泛存在于各类自然环境与工程领域中，例如系泊电缆，海洋钻井立管，输油立管等。
振动会使结构疲劳发生破坏，但是随着研究进展，人们发现也可以利用这种现象获取能源[1-4]。
结构流致振动的形式比较多，涡致振动和驰振是工程中常见的两个现象。
对于通常形状的结构物而言，涡激振动是必然伴随的现象，而驰振则因钝体截面的形状不同而有所差异，多发生于具有非流线型或非对称截面的结构。
其中圆柱作为涡致振动典型例子得到广泛研究[5]，同时方柱[6]作为驰振代表，矩形柱[7]、三角柱[8]往往会是二者的结合。
与无攻角方柱或矩形柱相比，有攻角方柱研究较少。
圆柱涡致振动的响应可以分成三个区间[9]：初始分支(initial branch)、上部分支(upper branch)和下部分支(lower branch)。
Nemes等[10]实验研究了攻角α对方柱流致振动的影响，发现当攻角在0°～10°驰振占主导；当攻角在25°以上时，涡激振动占主导；当时攻角在10°～25°时，振动响应变得复杂，涡激振动与驰振共同起作用，出现了一个“高分支”(Higher Branch,HB)，该分支的振幅比上支还要高。
后续Zhao等[11]选取攻角α=20°，更加精确和系统的描述这种现象，发现高分支是一种高次谐波，是由于对称性被破坏导致的，同时也能解释对称的圆形截面不会出现这种现象。
其他人不同截面也同样得到了高次谐波，如三角形截面[12]、椭圆截面[13]。
数值实验方面，Zhao等[14-15]都在攻角22.5°得到了Leontini等[16]使用谱元法计算攻角45°时低雷诺数下不同程度圆角对方柱涡致振动的影响。
基于CFD的方柱绕流水动力数值模拟
摘 要: 为探讨船舶自循环系统管道入口处格栅附近的脉动压力特性，将船舶入口处格栅简化为方柱，以单
个二维方柱以及 5 个并列的二维方柱作为研究对象，通过 CFD 方法分析方柱截面长宽比和雷诺数对单个方柱绕流参
数以及流场压力脉动分布的影响。在此基础上，选定截面长宽比，分析方柱间距比以及雷诺数对绕流参数以及压力
Abstract: To explore the features of pressure fluctuation near the grill of Vessel self-circulation system pipe inlet, simplify the grill of vessel inlet into rectangular cylinder.A single rectangular cylinder and five parallel two-dimensional rectangular cylinder are taken as research objects,the influences of section length-width ratio,Reynolds number on flow parameters and pressure pulsation distribution are studied with computational fluid dynamics (CFD) technology.On this basis, the section length-width ratio is selected to analyze the influence of the rectangular cylinder spacing ratio and Reynolds number on the flow parameters and pressure pulsation.The results show that, under a single two-dimensional rectangular cylinder, the Reynolds number mainly affects the pulsating pressure, and the monitoring parameters all change greatly with the section length-width ratio.When the five square columns are juxtaposed, the parameters of the monitoring points are higher than that of the single rectangular cylinder and the spacing of the square column has a great influence on the pulsating pressure.
基于有限元方法的流致振动数值模拟
基于有限元方法的流致振动数值模拟
杨凡
【期刊名称】《四川建筑》
【年(卷),期】2017(37)2
【摘要】文章基于ANSYS Workbench与CFX有限元分析软件,采用双向流固耦合方法,以横向流作用下的单根直管为基本分析对象,来研究单管的流致振动响应情况.通过建立三维流固耦合模型,利用LES大涡模拟,对较大雷诺数时均匀来流垂直流过单管的情况进行分析,并选取不同流速下,得到了单管结构随速度的变化以及流场特性.结果表明,换热器管道等必须将流速控制在一定范围内,否则会造成结构损坏.借助数值模拟软件,可以大大提高数值仿真的效率.
【总页数】4页(P205-208)
【作者】杨凡
【作者单位】西南交通大学,四川成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.3
【相关文献】
1.基于位错密度的晶体塑性有限元方法的数值模拟及参数标定
2.基于扩展有限元方法的沥青混合料劈裂试验的数值模拟分析
3.基于有限元方法的一种应力吸收层铺设方式数值模拟分析
4.基于旋转坐标系的高阶间断有限元方法非定常湍流数值模拟
5.基于有限元方法的Cahn-Hilliard方程能量不变二次化数值模拟
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基于流体并行计算的二维方柱涡激振动数值模拟
基于流体并行计算的二维方柱涡激振动数值模拟
郑德乾;顾明;张爱社
【期刊名称】《噪声与振动控制》
【年(卷),期】2009(029)006
【摘要】基于流体软件Fluent 6,采用松耦合方法搭建了求解气动弹性问题的数值计算平台,其中流体域可采用串行或并行计算,结构域采用Newmark法编程,流体域和结构域界面的耦合采用动网格技术实现.然后,主要介绍求解气动弹性问题数值计算平台的计算流程和流体域采用并行计算时的特别处理方法.最后,采用该计算平台进行了Re=22000时二维方柱横风向涡激振动的数值模拟,通过与已有文献结果的比较验证了其有效性.
【总页数】7页(P85-90,96)
【作者】郑德乾;顾明;张爱社
【作者单位】同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.3
【相关文献】
1.方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟 [J], 徐枫;欧进萍
2.高雷诺数条件下二维方柱涡激振动的数值模拟 [J], 方平治;顾明
3.方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟 [J], 徐枫;欧进萍
4.不同角部外形方柱涡激振动数值模拟研究 [J], 郑德乾;Mohammed Elhassan;马文勇;祝瑜哲;刘帅永
5.低雷诺数中等间距串列双方柱涡激振动的数值模拟 [J], 杜晓庆;邱涛;郑德乾;赵燕
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基于RANS的圆柱风致涡激振动的CFD数值模拟
基于RANS的圆柱风致涡激振动的CFD数值模拟
陈文礼;李惠
【期刊名称】《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2006(038)004
【摘要】采用基于RANS方法的SST湍流模型对圆柱涡致振动进行了数值模拟.2D模型建立和网格划分通过专业前处理软件ICEM-CFD实现.保持圆柱的频率不变,通过改变风速来研究圆柱涡致振动的特性.研究结果表明,当约减风速处于4.9-5.1时可以观测到锁定现象,圆柱位移峰值出现在约减风速等于5.023.而且在非锁定区域圆柱的位移反应中可以观察到"拍"的现象.将计算与试验得到的锁定区域进行比较,得到二者结果接近;同时将计算得到的圆柱振动幅值与经验公式和实验数据进行比较,得到了比较满意的结果.
【总页数】5页(P509-513)
【作者】陈文礼;李惠
【作者单位】哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江,哈尔滨,150090;哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江,哈尔滨,150090
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.3
【相关文献】
1.基于改进湍流模型的圆柱涡激振动数值模拟研究 [J], 康庄;张橙;张立健;贾五洋
2.基于改进尾流振子模型的柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究 [J], 高云;谭暖;
熊友明;邹丽;宗智
3.基于OpenFOAM低质量比圆柱体双自由度涡激振动的数值研究 [J], 翟云贺;康庄;宋环峰;宋儒鑫;孙丽萍
4.基于光学测量方法的柔性圆柱涡激振动响应试验 [J], 吴浩;严松;孙大鹏;杜海;吕林
5.基于模型试验和数值模拟的柔性串列圆柱体涡激振动研究 [J], 宋虹; 黄维平; 付雪鹏
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矩形液舱横荡流体载荷的Fluent数值模拟
矩形液舱横荡流体载荷的Fluent数值模拟张书谊;段文洋【摘要】采用CFD软件Fluent对二维矩形液舱不同舱内水深、不同激振频率时的横荡进行数值计算,并将数值结果与实验结果进行比较.结果表明,Fluent可以模拟自由面的翻卷和破碎运动现象,其对于距自由面较深点处流体载荷的计算结果与实验值相符合,但对于自由面附近点,尤其是舱顶上点处的砰击载荷,其计算结果与实验值差别较大.因此,对大幅晃荡的数值模拟仍需进一步研究.%The sway of a 2D rectangular tank with various depth and excitation frequency was simulated using the Fluent and the numerical results were compared to the experiment results. It shows Fluent can simulate the overturning and breaking phenomenon of free surface, the pressure amplitude of the position deep from the free surface obtained by Fluent agrees well with experiment. But the impact pressure near or above the waterline, especially on the top wall, have much difference with the experimental data. So the numerical simulation of large amplitude sloshing needs further investigation.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2011(006)005【总页数】5页(P73-77)【关键词】晃荡;数值模拟;Fluent;VOF【作者】张书谊;段文洋【作者单位】中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064;哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】U661.31 引言近年来，随着液化天然气（LNG）船需求量的增加，液舱晃荡问题逐渐引起人们的重视。
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流固耦合的计算过程: 初始时刻方柱固定, 先
进行流场计算, 得到速度场、压力场以及流体作用 在方柱上得到的升力系数, 假设在每个时间步内
升力为定值, 通过 UDF 来提取升力系数, 由方程
( 2) 求得气动升力并将其带入振动方程 ( 1) 的右 端项, 用集成在 UDF 中的 N ewm ark- 算法求解
侧边界选择压 力出口, 相对 压力选 为 0. 上 下边
界: 采用自由滑移壁面, 即为对称边界条件; 方柱 表面: 采用无滑移边界, 即方柱表面流体速度等于
方柱运动速度; 对于固定绕流, 方柱表面的速度为
0, 对于流固耦合振动, 方柱表面流体速度等于方
柱的运动速度. 1 3 流固耦合过程
流场的计 算采用 F luent 的分离求解 器来完
( 1)
F l ( t)
=
∀U2∃ H C l ( t). 2
( 2)
式中: 、!0 分别为质量弹簧系统的阻尼比和圆频
率, M 为单位展长方柱的质量; F l ( t) 为柱体受到
∀
的升力, Cl ( t) 为升力系数; Y、Y、Y 为方柱横向位
移、速度和加速度; U∃ 为均匀来流速度, ∀为流体
密度.
收稿日期: 2007- 04- 19. 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目 ( 50538020) . 作者简介: 徐 枫 ( 1980! ) , 男, 博士研究生;
欧进萍 ( 1959! ) , 男, 博士生导师, 中国工程院院士.
结构在横风向振动机理比较复杂, 包括涡激 振动、驰振、颤振和抖振等. 对于通常形状的结构
1 数值求解方法
1 1 几何建模与网格划分 计算域为如图 1 所示的矩形区域, 方柱中心
距上游边界 10H , 距下游边界 40H, 距离上下边 界分别为 10H, H 为方柱边长. 方柱振动模型简 化为质量 - 弹簧 - 阻尼系统, 计算仅考虑沿横向 振动的单自由度模型. 全场采用非结构网格进行 离散, 柱体表面最小网格尺度为 0 025H , 为了捕 捉流场的主要特征, 对方柱表面和尾流等参数梯 度 变化较大的计算敏感区进行局部网格加密, 单
Abstract: The gallop ing and vortex induced v ibrations of an e lastic m ounted square cy linder are investigated in th is paper. The Reyno lds num ber is kept at 500 fo r a ll calcu lations. T he v iscous incom pressib le flow fie ld w as ca lculated by the computational fluid dynam ics ( CFD) code of F luent softw are, then the m otion o f square cy linder w asm ode led by a spring dam per m ass system, and the m ot ion equation of the cy linder w as solved by w riting the N ewm ark m ethod into the U ser Defined Function ( UDF ) , m oreover, the nonlinear coupling be tw een square cy linder and flow field w as carried out through the dynam ic m esh technique. Resu lts show tha t w hen the influence o f m ass ratio and reduced dam ping on flow induced vibration is taken in to consideration, the gallop ing in low frequency rat io is observed, the m ax im um oscillations can reach 2 5 tim es of side length under gallop ing, and the transition from ga lloping to vortex induced vibration is found. T hen the characteristic param eters of lift and drag coefficien,t transverse d isplacem ent and vortex pattern in the w ake of the square cy linder in d ifferent frequency rat ios w ere studied in deta il and the phenom ena o f beat and phase sw itch w ere conf irm ed. Thus the inf luence o f gallop ing needs be considered for the design o f square structures w ith low natural frequencies in eng ineering, and the sect ion types wh ich are not easy to induce gallop ing shou ld be used in preference. K ey w ord s: square cy linder; ga llop ing; vortex induced v ibration; dynam ic m esh; phase sw itch
本文对已有 研究进行扩展 [ 8, 9] , 增大数 值计 算的雷诺数, 对方柱在不同质量比和折合阻尼下 的工况进行组合, 通过变化频率比来计算弹性方 柱尾流驰振和涡激振动现象. 此时方柱尾流区已 经转变为相对复杂的湍流, 但 Re = 500仍属低雷 诺数, 与引入湍流模型的高雷诺数相比更节省计 算资源, 计算 结果能够反映 流动的本质特征 [ 7] , 并且对高雷诺数的湍流流动有一定的参考作用.
图 1 计算域与振动模型
元总数 为 33500, 计算在 8 节点的 曙光 TC4000L
集群服务器上完成, 每个节点完成一个工况的计
算耗时 6~ 8 h. 用尺寸函数控制网格变形在合理 的范围内, 计算结果表明, 该网格密度可以捕捉到
流场的主要特征并使动网格计算顺利进行.
1 2 边界条件设置 左侧边界采用速度入口, 来流为均匀速度. 右
方柱振 动方 程, 利用 F luent 的刚 体运 动宏 ( D e
fine- CG- M otion) 将圆柱的速度传递给网格, 利用 位移增量累加获得网格位置的更新. 待网格迭代
收敛后, 整个流场更新完毕后开始下一个时间步
的计算, 如此循环直到计算稳定.
2 方柱固定绕流计算结果
首先, 本文计算 R e = 500 下方柱的固定绕流 结果, 无量纲升阻力系数时 程曲线、应用 FFT 变 换进行谱分析结果和尾流涡结构与流线如图 2所 示. 图 2( a) 表示流场计算稳定后, 升阻力系数曲
第 12期
徐 枫, 等: 方柱流致横向 振动的 CFD 数值模拟
第 40卷 第 12 期 2 0 0 8年 12 月
哈尔滨工业大学学报 JOURNAL OF HARBIN INST ITUTE OF TECHNOLOGY
V ol 40 N o 12 D ec. 2008
方柱流致横向振动的 CFD数值模拟
徐 枫 1, 欧进萍 1, 2, 肖仪清 3
( 1. 哈尔滨工业大学 土木工程学院, 哈尔滨 150090, E m ai:l xufeng_h it@ 163. com; 2. 大连理工大学 土木水利学院, 大连 116023; 3. 哈尔滨工业大学 深圳研究生院, 深圳 518055)#Leabharlann 1850#哈尔 滨工业大学学报
第 40卷
物而言, 涡激振动是必然伴随的现象, 而驰振则因 钝体截面形状的不同而有差异, 多发生于具有非 流线型或非对称截面的结构 [ 1] . 涡激振动是具有 自激性质的限幅振动, 当涡脱频率锁定在结构固 有频率上时, 会导致结构产生大幅振动而破坏. 驰 振是发散的自激振动, 但由于流体阻尼力的存在, 结构发生驰振后仍可能有稳态的响应. 对于圆形 截面的涡激振动研究, 现有很多实验和数值模拟 成果 [ 2~ 4] ; 而对方柱的流固耦合振动研究相对较 少 [ 5~ 6] , 方柱可类比风场中的建筑物、海流中的采 油平台等, 因此正确模拟方柱绕流及流致振动有 助于解决工程中相关的实际问题. 文献 [ 7 ] 采用基 于 F luent软件二次开发的新方法, 利用动网格和 滑移网格技术, 求解高雷诺数下方柱的涡激振动, 得到了锁定和位移失谐现象. R obertson[ 8] 等人对 不同长宽比的矩形截面进行了数值模拟, 观察到 了矩形截面的驰振现象, 利用准稳定分析来预测 某种长宽比下矩形发生驰振的可能性. 邓见 [ 9] 等 采用 ALE 方法模拟弹性支撑方柱的绕流, 固定质 量比和阻尼比, 捕捉到方柱由驰振转变到涡激振 动的转变.
CFD num erical sim ulation of flow induced transverse vibration of a square cylinder
XU F eng1, OU Jin p ing1, 2, X IAO Y i qing3
( 1. School o f C iv il Eng ineering, H arbin Institute of T echno logy, H arb in 150090, China, E m ai:l xu feng- h it@ 163. com; 2. Schoo l of C iv il and H ydrau lic Eng ineer ing, D a lian U niversity of T echno logy, D a lian 116023, China; 3. Shenzhen G raduate Schoo lH arb in Institu te of T echno logy Shenzhen 518055, China)