圆柱绕流的数值模拟研究
单圆柱绕流数值模拟
目录1. 实验目的及原理 (2)1.1实验目的 (2)1.2 实验原理 (2)2. 物理现象描述 (3)3. 数值模型描述 (3)3.1计算域 (3)3.2 边界类型 (3)4.前处理 (3)4.1 Gambit软件介绍 (3)4.2网格绘制 (5)5.求解设置 (5)5.1 Fluent软件介绍 (5)5.2 计算过程 (7)6.后处理 (7)6.1 云图显示 (7)6.2 升力系数 (9)6.3 拖曳力系数 (10)6.4 斯托哈尔数 (10)7. 总结体会 (11)1. 实验目的及原理1.1实验目的（1）通过上机实验掌握计算流体力学中前处理、计算设置、后处理的基本流程，为后期船舶原理、船舶设计原理等课程的学习奠定基础。
（2）通过对单圆柱绕流的数值模拟，进一步理解流体力学理论课中的各项知识点，如边界层、湍流、圆柱绕流、卡门涡街、雷诺数、涡旋形式等。
1.2 实验原理对于静止圆柱绕流，本文研究对象为二维不可压缩流动。
在直角坐标系下，其运动规律可用 N-S 方程来描述，连续性方程和动量方程分别为:01()()i ii i i j ji j j u x u u P u u t x x x x νρ∂⎧=⎪∂⎪⎨∂∂∂∂∂⎪+=-+⎪∂∂∂∂∂⎩其中u i 为速度分量；p 为压力；ρ为流体的密度；ν为流体的动力黏性系数。
对于湍流情况，本文采用RNG k ⁃ε模型，RNG k ⁃ε模型是k ⁃ε模型的改进方案。
通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响， 而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除。
所得到的 k 方程和ε方程，与标准k ⁃ε模型非常相似，其表达式如下：212()()()G ()()()G i k eff k i j ji eff k i j j ku k k t x x x u C C t x x x k k εεερραμρερεερεεεαμρ∂∂∂∂⎧+=++⎪∂∂∂∂⎪⎨∂∂∂∂⎪+=+-⎪∂∂∂∂⎩其中Gk 为由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项，2efft t C k ρμμμμμε=+=， 经验常数1C ε=0.084 5，k α=εα=1.39，2C ε=1.68。
不等直径并列双圆柱绕流数值模拟研究
第43卷第5期2021年5月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.43,No.5May,2021不等直径并列双圆柱绕流数值模拟研究张艺鸣I,罗良2,陈威1,林永水I,池晴佳1(1.武汉理工大学新材料力学理论与应用湖北省重点实验室，湖北武汉430063;2.上海船舶研究设计院，上海201203)摘要：不等直径的多圆柱系统广泛应用于海洋工程中，为研究不等直径双圆柱之间的互扰效应。
本文基于CFD方法，对不同间距比下的二维不等直径双圆柱进行了数值模拟。
研究结果表明：当T/D<3.0时，双圆柱尾流涡相互融合，互扰效应造成斯特劳哈尔数偏低，升力系数幅值随时间变化不稳定；当T/D>3.0时，两圆柱互扰较 弱，圆柱水动力系数与单圆柱结果相差不大；T/D«3.0可认为是临界间距比。
本文成果有助于多圆柱流动控制技术研究。
关键词：圆柱绕流；互扰效应；间距比；数值模拟中图分类号：TV131文献标识码：A文章编号：1672-7649(2021)05-0048-05doi：10.3404/j.issn.l672-7649.2021.05.010Numerical simulation of flow around two parallel cylinders with unequal diametersZHANG Yi-ming1,LUO Liang2,CHEN Wei1,LIN Yong-shui1,CHI Qing-jia1(1.Wuhan University of Technology,Wuhan430063,China;2.Shanghai Ship Design and Research Institute,Shanghai201203,China)Abstract:The multiple cylinder systems have been dramatically applied in ocean engineering,in order to study the interaction effect between two cylinders with different diameters,the numerical simulation of two cylinders with different diameters under different pitch ratio is carried out based on the CFD method.The results show that:At T/D<3.0,the wake vortices of the two cylinders merged,and the Strouhal number is small due to the interaction effect,and the amplitude of lift coefficient is unstable with the increase of time.At T/D>3.0,the interaction is weak and the hydrodynamic coefficients are close to that of single cylinder.The T/D 3.0is regarded as the critical spacing ratio.The results of present study are significant for investigation of flow control technique of multiple cylinders.Key words:flow around circular cylinder；interaction effect；spacing ratio；numerical simulation0引言在海洋资源的勘探和利用过程中，产生了多种海洋工程结构物，如海上风力发电设备、海洋石油钻井平台等。
基于H-O型网格的圆柱绕流的数值模拟
基于H-O型网格的圆柱绕流的数值模拟摘要：本文用GAMBIT针对相同的模型划分了不同结构的网格，用FLUENT进行了圆柱绕流的数值模拟，并将模拟结果跟文献的实验数值做了对比，数值计算的结果与相关实验结果具有合理的一致性。
同时也证明了基于H-O型网格的圆柱绕流的模拟精度要高于普通的四边形网格。
关键词：H-O型网格圆柱绕流数值模拟Numerical Simulation of Fluid Flow around Circular-cylinder Based on theH-O GridAbstract: This paper supplies different grids for the same model based on the GAMBIT. Numerical simulation of the fluid flow around circular-cylinder is executed by the software of FLUENT. Compared the result with the tested data, the result of the numerical simulation is coincidental with that of experimental. The numerical simulation results also approve that the result based on the H-O grid is more exacted than the traditionally quadrangular grid.Key words: H-O Grid；Fluid Flow around Circular-cylinder；Numerical Simulation1 引言静止地圆柱绕流早期的研究由于受到理论和实验条件的限制,圆柱绕流主要侧重于对圆柱体受力的实验测定,随着计算流体力学和现代实验技术的迅速发展，数值模拟及实验测定方法被广泛地应用于这些方面。
气液两相圆柱绕流旋涡脱落特性的数值模拟的开题报告
气液两相圆柱绕流旋涡脱落特性的数值模拟的开题报告一、研究背景及意义气液两相流是指空气或气体与液体或固体在一定条件下混合成的复杂流动状态，是很多工业、环境和生物领域中重要的物理现象。
其中气液两相圆柱绕流作为气液两相流的经典问题，涉及到许多实际工程问题，如海洋工程中的海洋平台、桥梁与建筑物等结构体，空气动力学中的飞机、桥梁及通风设备等。
对于气液两相圆柱绕流问题的研究，是为了更好地认识其特性和行为，从而在实际运用中提高工程效率和性能，同时也在理论研究上具有重要的意义，实验方法已经得到广泛应用，但在某些条件下难以获得合适的数据，因此数值模拟方法成为了解决问题的有效手段。
二、研究内容及方案1.研究内容本文将探讨气液两相圆柱绕流旋涡脱落的数值模拟问题，基于计算流体力学（CFD）方法，采用多相流模型，在不同的流速和液相浓度下，建立三维数值模型，研究气液两相圆柱绕流的动态特性，以及旋涡脱落机理分析。
2.研究方案（1）数值方法本文采用计算流体动力学（CFD）数值方法研究气液两相圆柱绕流旋涡脱落问题。
通过FLUENT 软件对此问题进行数值模拟，采用在Eulerian 转换框架内的多相流模型。
其中，采用 VOF 模型描述了两相流的界面，使用 LES（大涡模拟）方法模拟气相的湍流流动。
（2）模型建立模型采用三维无穷长圆柱及其周围环境构成的区域，其直径为 D=0.1 m,长为L=1.0 m，环境为空气。
模型流入速度为 U=1.0 m/s。
模拟时间为稳态问题下的流动现象，时间步长为1.0e-4s，总时长为50s。
在模型中同时考虑气相与水相，根据实际需求，调节水相的浓度，也就是体积分数进行模拟。
（3）数值分析根据数值模拟结果对气液两相圆柱绕流旋涡脱落问题进行分析，主要分析旋涡在不同的 Reynolds 数和液相浓度下的演化与脱落规律，分析液相各种物理量随着位置、时间的变化规律等。
三、预期成果及意义1.预期成果通过本研究，可以获得气液两相圆柱绕流旋涡脱落的数值模拟结果，从而对其动态特性进行深入研究，在不同的流速和液相浓度下，建立与实验相关的数据，揭示其脱落机理，探讨气液两相圆柱绕流的核心问题。
小雷诺数下圆柱绕流数值模拟
小雷诺数下圆柱绕流数值模拟
小雷诺数下圆柱绕流数值模拟是一种常用的研究绕流流动特性的方法。
它是一种基于小雷诺数下流体运动的数值模拟，用于研究圆柱体绕流的结构及其流动特征。
小雷诺数下圆柱绕流数值模拟的基本思想是，利用小雷诺数的概念，通过模拟圆柱体的绕流流动特性，求得其相应的流速、压力、温度等各种流动参数。
小雷诺数的定义是在恒定的空气压力下，流体的绕流流动速度和其局部粘性系数之比，其值与空气压力以及温度有关。
圆柱绕流数值模拟主要分为三个步骤：（1）建立基本流场模型，确定模型空间的尺寸和流体的流动参数；（2）使用计算流体力学（CFD）技术计算圆柱体绕流流动的模拟结果；（3）分析模拟结果，确定圆柱体绕流流动的特性以及绕流流动的特性参数。
小雷诺数下圆柱绕流数值模拟是一种有效的研究圆柱体绕流流动特性的方法。
它可以用来模拟圆柱体绕流流动的特性，并及时获取流动参数，从而更好地分析绕流流动特性，为设计提供参考依据。
圆柱绕流数值模拟资料
圆柱绕流的数值模拟研究摘要：选取直径为D=10mm的圆柱及6D×3D的计算区域，利用GAMBIT进行模型的创建模型，对计算区域采用分块网格划分与结构化网格划分相结合的技术进行网格划分。
对0.03m/s~1.0m/s的低流速情况下的圆柱绕流进行模拟研究，结果发现在速度达到0.1m/s前圆柱后侧没有出现明显的漩涡，在速度大于0.1m/s后漩涡开始出现，当速度达到0.5m/s时漩涡的范围最大。
最后利用FLUENT的网格自适应技术对入口速度为0.5m/s的情况进行了网格加密，发现网格自动加密可以改进网格分布情况，但对计算结果的影响程度有限。
关键词：网格划分；圆柱绕流；涡量；网格自适应钝体绕流中尤其以圆柱体的绕流问题最为经典和引起人们的注意。
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。
圆柱绕流同时也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，由于黏性力的存在，就会在柱体周围形成附面层的分离，形成圆柱绕流。
而由于圆柱的存在，会在圆柱迎水面产生壅水现象，同时也增加了圆柱的受力，使得圆柱绕流问题变得十分复杂。
研究圆柱绕流问题在工程实际中也具有很重要的意义。
如在水流对桥梁、海洋钻井平台支柱、海底输运管线、桩基码头等的作用中，风对塔建筑、化工塔设备、高空电缆等的作用中，都有重要的工程应用背景。
因此，对圆柱绕流进行深入研究，了解其流动机理和水动力学规律，不仅具有理论意义，还具有明显的社会经济效益。
1数学模型与计算方法1.1几何模型结合本文研究目标，取圆柱直径D=10mm，计算区域为6D×3D的矩形区域，如图1所示。
上游尺寸1.5D，下游尺寸4.5D。
使用GAMBIT建模软件按照图1所示的计算域建立了二维的计算模型。
图1计算区域1.2网格划分及边界条件设置为提高模拟精度，计算区域采用分块网格划分与结构化网格划分相结合的技术。
计算区域共分两块，尺寸见图1所示。
三维波浪作用下大直径圆柱绕流的数值模拟
三维波浪作用下大直径圆柱绕流的数值模拟祝兵;宋随弟;谭长建【摘要】In order to research interaction between three-dimensional waves and structures, a numerical model for the interaction of three-dimensional waves and a structure was established based on the concept of two-phase flow, the volume of fluid (VOF) method and incompressible viscous fluid equations in large eddy simulation ( LES). Interaction between three-dimensional waves and a large-diameter circular cylinder was simulated numerically. The virtual boundary force method (VBFM) and two-step boundary-pinpoint method were adopted to determine the boundaries of the structure. The research show that the numerical simulation result of the circumfluence factor for a large-diameter circular cylinder has a good agreement with the analytical solution. The established numerical model can successfully simulate the interaction between three-dimensional waves and structures.%为探讨三维波浪与结构物的相互作用,以两相流概念、大涡模拟的不可压缩粘性流体运动方程和自由水面追踪分段线性近似的流体体积(VOF)法为基础,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型；对三维波浪作用下大直径圆柱绕流进行了数值模拟,用两步边界定位法和虚拟边界力法确定波浪与结构物接触面.结果表明:大直径圆柱绕流系数的数值计算结果与理论解吻合,所建立的数学模型能够很好地模拟三维波浪与结构物的相互作用.【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2012(047)002【总页数】6页(P224-229)【关键词】三维波浪与结构物相互作用;流体体积(VOF)法;大涡模拟;两步边界定位法;虚拟边界力法【作者】祝兵;宋随弟;谭长建【作者单位】西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;上海建筑科学研究院上海市工程结构新技术重点实验室,上海200032【正文语种】中文【中图分类】TV139.2随着海洋开发和交通事业的发展，修建了大量海洋建筑物，如海洋平台、跨海大桥等．因此，波浪与结构物相互作用的研究越来越受到各国学者的重视．研究波浪与结构物相互作用不但可以了解结构物周围流场的特性，而且通过仿真计算可以获得波浪荷载，以便研究结构物在波浪作用下的振动响应．国内外学者对波浪与结构物的相互作用进行了大量研究：Lin和Li采用大涡模拟技术，在垂向进行σ坐标变换，用有限差分法离散方程，研究了波浪或波浪-流与方柱的相互作用［1-3］;Palma、Zhang等用虚拟边界力法求解流体与结构物的相互作用［4-5］;李玉成等利用波浪弥散关系迭代计算求波向与流向的夹角，并用有限元法求解含流的缓坡方程，得到在缓变地形和定常流场共同影响下的大尺度圆柱周围波流场的耦合解，并对波流共同作用下大尺度圆柱墩群周围的波流场进行了数值研究［6-7］．本文基于两相流概念，采用大涡模拟的纳维-斯托克斯方程作为波浪运动的基本控制方程，采用两步边界定位法和虚拟边界力法确定波浪与结构物的接触面，自由水面追踪采用分段线性近似的流体体积法，建立了三维波浪与结构物相互作用数学模型，对三维波浪作用下大直径圆柱的绕流现象进行了数值研究．1 波浪运动的基本控制方程计算中，自由表面采用两相流模型，即水和空气同时参与计算，并且假定水和空气都是不可压缩的．采用纳维-斯托克斯方程组描述不可压缩流体运动：式中：i，j=1，2，3，代表三维流体的 3 个方向;ui为i方向的流速;p为压力;gi为i方向的重力加速度;ρ为流体密度(空气中，ρ=ρa;水中，ρ=ρw);t为时间;τij=2ργsij为分子粘性应力张量的分量，其中γ为动力粘度(空气中，γ=γa;水中，γ=γw)，sij为应变率张量的分量，采用大涡模拟方法［8］，首先对方程(1)和(2)进行空间滤波，经过Box滤波器［9］滤波，滤波后的方程去掉滤波符号为：式中，γt为湍流动力粘性系数．进而采用 Smagorinsky 假设［10］，有式中：为局部应变率;C s为常数;Δ为滤波宽度，通常取Δ =(ΔxΔyΔz)1/3，其中Δx、Δy 和Δz分别为在x、y和z方向上的网格宽度．连续方程仍为式(1)．2 结构物界面处理采用两步边界定位法和虚拟边界力法对结构物界面进行处理．在虚拟边界力法中，结构物被移出计算区域，在结构物与流体交界处，采用虚拟边界力f VBF作用到流体上，如图1所示．图1 虚拟边界力法中用虚拟边界力代替任意形状结构物表面的边界条件Fig．1 Visual boundary force replacing the boundary condition on body surface in the virtual boundary force method对于形状简单的物体，可以通过简单识别定位边界线，而对于形状复杂的物体，则较难确定．为此，本文提出了两步边界定位法：第1步：采用结构边界函数初步定义结构物边界．第2步：根据第1步定义的结构物边界，开发了计算识别程序，判断各物理量所在位置是否在结构物边界上——若在边界上，则设虚拟边界力标记点;否则，通过插值计算各物理量．从而实现了流体与复杂结构物边界的精确处理，简单阐述如下．采用一系列二次函数来定义结构物边界面，这些二次函数定义的截面可以相交或叠加，以便能够模拟任意结构形状．二次函数定义如下：式(7)中，除自变量x、y和z外，其余均为构造函数所用的参数，根据结构的实际形状进行调整．从式(7)可知，要与结构物边界吻合，应有f(x，y，z)=0．当 f(x，y，z) ＜0 时，表明计算点在结构物内部，为非流体区域;当 f(x，y，z)＞0时，则表明计算点在结构物外部，为流体区域．为初步定义流体与结构区域，引入函数ψ，ψ在x、y、z方向分别定义．以在x方向定义为例：ψx以结点(x，y，z)所在网格位置y和z方向的网格中心计算得到．用同样的方法，可以求得ψy和ψz．根据ψ值，便可以初步判定计算结点是否为流体区域内的结点．但一些形状复杂的结构物或计算域中存在多个结构时，有较多边界网格，边界网格里既有水，也有结构物，而计算参数如速度、压力等不是在网格中心，就是在网格面的中心．因此，第2步需要开发计算识别程序进行判断，以便精确确定界面的位置，求解结构物边界处的各物理量，详见文献［11］．3 数值实现3．1 控制方程的差分离散及虚拟边界力求解通过以上计算，准确定位了结构物的界面，现在关键的问题是如何求解虚拟边界力．在方程(4)中，加入虚拟边界力f VBF i，即有计算区域的空间离散采用交错网格，压强p、湍流动力粘性系数γt定义在控制体的中心，速度定义在控制体面的中心，采用两步映射法［12-13］求解控制方程．不考虑压强梯度对速度场的贡献，即在动量方程中略去压力梯度项，引入中间速度˜ui，且时间项采用向前差分，得式中：Δt为时间步长;上标(n)、(n+1)表示时间迭代步;i，j=1，2，3，此处x1=x，x2=y，x3=z，u1=u，u2=v，u3=w，分别代表三维流体的3个方向和3个方向的速度．一般来讲，中间速度˜ui不再满足连续方程．将中间速度˜ui映射到速度散度为0的平面上，从而可以得到该时间步最终的速度u(n+1)i ：对式(11)取散度，并应用式(12)，可得修正的压力泊松方程：方程(13)中，若f VBF i已知，则可以进行求解．由于f VBF i只在单元与结构物边界交界处不为0，因此，可以利用式(11)定义f VBF i：式中为满足非滑移边界条件的速度．式(14)中，为了在与结构物边界交界的单元上施加非滑移的速度条件，用代替了式(11)中的，将式(14)代入式(13)离散求解，即可求得f VBF i的值．由于f VBF i是结构物对流体的反作用力，因此，作用在结构物上总的流体作用力F t i可以通过绕结构物表面进行体积积分求得：式中：Ω为结构物表面体积(数值模型中，表示与结构物表面相交的单元的体积)．3．2 流体体积(VOF)法追踪自由表面流体密度的输运方程为采用流体体积(volume of fluid，VOF)法追踪自由面变化．对于不可压缩的流体，VOF函数F(x，t)(简写为F)可以看作是量纲为1的流体体积比，即将式(17)代入式(16)，得VOF方法追踪自由表面，采用精度较高的Youngs方法［14］，它采用分段线性逼近自由面，在每一个控制体内用一个斜线段表示自由面．3．3 边界条件的处理入流边界自由面的位移和速度根据波浪理论的解析解赋值，为消除二次反射波，采用弱反射边界条件．压力边界采用第二类边界条件：式中，g w x为左侧入流处x方向的重力加速度．出流边界为辐射边界条件，压力边界仍采用第二类边界条件(式(19))，其中重力加速度改为右侧出流处x方向的重力加速度即可．平行波浪传播的两侧边界的速度采用滑移边界条件，压力边界仍采用第二类边界条件(式(19))，其中重力加速度改为两侧边界处y方向的重力加速度．计算域上部设置速度边界时，根据VOF方法的计算值采用滑移边界．压力边界采用第一类边界条件，即p=0．底部速度边界同样采用滑移边界，压力边界采用第二类边界条件(式(19))，其中重力加速度改为底部边界处z方向的重力加速度．4 大直径圆柱波浪绕射4．1 理论分析波浪传播过程中与大尺度结构物相遇时，由于结构物的影响，会产生绕射现象，即波浪的一部分能量被结构物阻挡，另一部分能量从结构物侧面绕过，传入结构物后面的水域中．对于大尺度结构物对波浪场的影响以及波浪力的计算等，都需要研究波浪绕射问题．MacCamy和Fuchs给出了大直径圆柱波浪绕射速度势的理论解［15］：式中：φ为大直径圆柱波浪绕射速度势;s为自由水面高度;h为静水深度;δm为待定系数(m=0时，δm=1;m≥1时，δm=2);H为汉克尔函数;H(1)m 为第一类m阶汉克尔函数;Jm为第一类m阶贝塞尔函数;k为波数;ω为波的频率;r和θ为极坐标;a为大直径圆柱的半径．根据式(20)，可以得到波浪绕圆柱的绕流系数式中，H0为0阶汉克尔函数．4．2 参数设置图2 大直径圆柱波浪绕流的平面布置及网格划分Fig．2 Local mesh deployment and plane layout of wave diffraction around a large-diameter circular cylinder大直径圆柱波浪绕射参数：圆柱直径为80 m，计算水域水平面取1 080 m×1 000 m，计算水深20 m，线性波波高0．3 m，周期为8 s．圆柱位于计算域中心(图2)，圆柱足够高，计算中柱顶不淹没．计算网格划分时，在水平方向覆盖圆柱的区域附近，采用2 m×2 m的均匀网格，网格数为272×92;竖向37个网格，自由水面附近采用均匀网格．空间步长为0．03 m;时间步长可自动调整，计算总时间为200 s．波浪为线性波，采用边界造波法造波，从左侧传入．出流边界采用辐射边界条件，竖向取22 m．圆柱距离左、右边界的距离均为500 m，大于3倍波长．两侧边界离圆柱足够远，从而使边界造波和幅射边界对波浪和圆柱的绕射影响较小．计算域剖分时，空间3个方向均采用非均匀网格．4．3 结果分析对边界造波法和自由面追踪方法进行验证，数值计算结果与线性波理论解的比较见图3．图4为三维波面．从图3(a)可见，在边界处，数值计算结果与理论解非常吻合．图3(b)给出了整个计算域波浪自由面的数值计算结果与理论解的比较，可见，除刚起波时稍有差别外，整个计算域波面位置的数值计算结果与理论解吻合很好．图3 线性波数值计算结果与理论解的比较Fig．3 Comparison between numerical result and theoretical solution of linear wave图4 线性波的三维波面(t=180．012 9 s)Fig．4 Three-dimension free surface for linear wave边界造波法和自由面追踪方法验证后，研究大直径圆柱三维波浪的绕射现象．图5给出了t=70．003 1和180．000 6 s时的波面图．从图 5(a)可见，波浪刚刚传播到圆柱时，圆柱的存在影响了波浪的波形，在圆柱正对来波的方向波浪产生爬高现象;从图5(b)可见，圆柱周围有很明显的反射波纹，以圆柱为中心向两边扩散，圆柱正对来波方向波浪的波幅明显增大，靠近圆柱处波浪产生爬高现象，圆柱背浪侧波浪的波幅减小，圆柱后侧形成了清晰的绕射波纹．图5 三维波面Fig．5 Three-dimension free surface为了与理论上的绕流系数比较，在圆柱周围设置了一系列波高测点，计算波浪充分发展后绕流系数随θ的变化(θ见图2)．用式(21)计算理论绕流系数，并与数值计算得到的绕流系数进行比较．从图6可见，绕流系数的数值计算结果与理论值非常接近，表明本文建立的波浪数学模型不仅能够反映波浪的反射特性，还可以反映绕射波高的变化，可以成功地模拟三维波浪与结构物的相互作用．图6 绕流系数理论值与数值计算结果的比较Fig．6 Numerical and analytical results of circumfluence factor for circular cylinder5 结论以两相流概念、大涡模拟的不可压缩粘性流体运动方程和自由水面追踪分段线性近似的流体体积法为基础，建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型，并对该模型进行了验证，得到以下结论：(1)对边界造波法和流体体积法追踪自由面进行数值计算验证，所得波浪的数值计算结果与理论解非常吻合，实现了波浪自由面的高精度跟踪．(2)结合虚拟边界力法，提出了一种新的流体与结构物接触面的数值模拟方法——两步边界定位法，实现了流体与复杂结构物边界的精确模拟．(3)大直径圆柱波浪绕流系数的数值计算结果与理论值非常接近，所建立的数学模型不仅能够反映波浪的反射特性，还可以反映绕射波高的变化，成功地模拟三维波浪与结构物的相互作用．【相关文献】［1］ LIN P．Numerical modeling of water waves［M］．New York：Taylor&Francis，2008：324-384．［2］ LIN P，LI CW．Wave-current interaction with a vertical square cylinder［J］．Ocean Engineering，2003，30(7)：855-876．［3］ LI Chiwai，LIN Pengzhi．Numerical study of threedimensional wave interaction with a square cylinder［J］．Ocean Engineering，2001，28(12)：1545-1555．［4］ PALMA P D，TULLIO M D．PASCAZIO G，et al．An immersed-boundary 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近壁圆柱绕流水动力特性数值模拟与实验研究_王国兴
文章编号:1005-9865(2010)01-0042-08近壁圆柱绕流水动力特性数值模拟与实验研究王国兴1,孙万卿2(1.威海港集团有限公司,山东威海 264200;2.中国石油天然气勘探开发公司,北京 100034)摘 要:通过数值模拟和物理模型实验,对距壁面一定高度的圆柱绕流水动力特性进行了研究。
数值模拟采用有限体积法对标准k-E 模式方程进行离散,采用SIMPLE 算法进行求解,模拟绕流流场。
在物理模型实验中,将PVC 圆管制作的实验模型安放在水槽内,在圆管的跨中沿表面周向均匀布置水下压力传感器,用于测量绕流圆柱体表面动水压力分布。
通过改变Re 数和间隙比来分析它们对近壁圆柱绕流水动力特性的影响。
基于数值流动显示技术,给出了近壁绕流流场的尾流流态分析。
通过数值结果与实验结果的对比,对近壁绕流圆柱体的升力系数及其表面动水压力分布进行了研究,对比结果显示了较好的一致性。
关键词:圆柱绕流;标准k-E 模式;有限体积法;动水压力分布;间隙比中图分类号:TV148 文献标识码:ANumerical and experimental studies on a circular cylinder subject toa flow near a plane wallW ANG Guo -xing 1,SUN Wan -qing 2(1.Weihai Port Group Co.,Ltd.,Weihai 264200,China; 2.China National Oil &Gas Exploration and Develop ment Corporation,Beijin g 100034,China)Abstract:The objective of the present investigation is to study the hydrodynamic characteristics of a circular cylinder subject to a flow wi th var -ious heights above a plane wall by the numerical and experimen tal approaches.A standard model is used to si mulate the flow passing a circular cylinder in which the governing equations are discretized by the finite volume method and solved by the Sem-i Implicit M ethod for Pressure Linked Equations (SIMPLE)algorithm.In the experiments,the pressure distributions around the circular cylinder are investigated by placing a circular PVC tube with twelve pressure gauges circumferentially at the mid -span in a flume.The i nfluencing factors,the Reynolds number and the gap ratio varied in the numerical and experi mental s tudies and their effects are discussed.The wake patterns are also illustrated and ana -lyzed by the numerical flow visualization.The pressure distributions around the ci rcular cylinder in the nu merical and experimental studies show q uite a good agreement.Key words:circular cylinder;standard k-E model;fini te volume method;hydrodynamic pressure distribution;gap ratio收稿日期:2009-04-07作者简介:王国兴(1978-),男,山东荣成人,工学博士,主要从事港口工程结构动力特性研究。
亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟
亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟最近，随着大规模流体动力学（LFD）和其他非结构性的方法的发展，数值模拟的重要性和应用也变得越来越广泛。
在绕流过程中，绕流模拟对于准确预测流体动力学行为至关重要。
近年来，圆柱和方柱绕流一直是重要的研究热点，其真实性受到广泛关注。
圆柱和方柱绕流数值模拟，是以相对低的雷诺数Re以及它们相对的相变过程的重要工具。
Re意味着流体动力学的影响，基于Re的亚临界状态共存精确研究流体动力学。
鉴于影响数值模拟精度的数值误差的存在，理论精度和实际应用的完整性和有效性是一个重要的问题。
亚临界状态下的圆柱和方柱绕流模拟，使用分布式交错网格（DMGs），以及完全控制差分过程（FDC），已被广泛应用于当前的数值模拟研究。
在这个过程中，FDC和DMG网格可以用来准确预测流体运动，这些预测可以用来更准确地预测流体动力学参数。
在这项研究中，我们提出了一种圆柱和方柱绕流模拟方法，以及用于仿真过程的FDC/DMG技术。
我们的方法基于亚临界雷诺数（Re），以及针对Re的相变过程。
通过引入非定常非均匀网格（CNG）来改进算法的准确性和实用性。
将计算结果与实验数据进行了比较和分析，以验证该模拟方法的有效性。
本研究的主要结论如下：（1）使用亚临界雷诺数可以准确预测圆柱和方柱绕流的流体动力学参数；（2）带有CNG的FDC/DMG可以更加准确地预测绕流过程中的数值模拟；（3）使用FDC/DMG可以更准确的描述实际流体动力学参数；（4）本研究的方法可以更加准确地预测不同Re下的流体动力学行为。
总的来说，本研究为亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流的模拟提供了一个可行的解决方案，它可以准确预测不同Re下的流体动力学行为。
本研究还提出了一种改进的算法，可以用来更加准确地模拟绕流，提高模拟的真实性和有效性。
通过本研究，我们有望更好地理解数值仿真，并将其用于实际的工程和科学应用中，为后续的更深入的研究提供更多的可能性。
经过本次研究，我们可以得出一个结论：亚临界雷诺数下的圆柱和方柱绕流数值模拟，使用FDC/DMG技术，可以更加准确地预测绕流的流体动力学参数，提高真实性和有效性。
柱体绕流阻力理论研究和数值模拟
柱体绕流阻力理论研究和数值模拟李金钊2011-11-27柱体绕流阻力理论研究和数值模拟摘要：柱体绕流是流体力学中的经典问题之一，而对于绕流阻力的研究又是该问题的关键之处。
本文对柱体绕流阻力产生的原因进行了理论分析，并对国内外关于柱体绕流阻力的研究成果进行了归纳总结，指出了研究的方向和对前景的展望。
同时本文借助于Fluent 软件，针对二维圆柱和方柱绕流进行了数值模拟，得出了绕流阻力系数并与相关试验结果进行了比较分析。
关键词：绕流阻力、研究成果、数值模拟1 前言1.1 柱体绕流阻力研究意义及应用背景流体绕结构物流动时，过流断面收缩，流速沿程增加，压强沿程减小。
由于黏性力的存在，就会在物体周围形成边界层的分离，形成绕流。
而由于结构物的存在，会在物体迎水面产生雍水现象，同时也增加了结构物的受力，使得绕流问题变的十分复杂。
目前相关理论研究成果较贫乏，因此对绕流现象进行研究具有重要的理论基础意义。
研究结构物绕流问题在工程实际中也具有重要意义。
如在水流对桥下部结构的作用中，风对桥塔、索缆的作用中，都有重要的工程应用背景。
因此对结构物绕流进行深入研究，掌握其流动机理和水动力学规律，不仅具有理论意义，还有明显的社会经济效益。
1.2 绕流阻力理论分析水流流经柱体时，作用于物体上的力可分为两类：摩擦阻力和压差阻力。
其中流体作用于物体表面的摩擦力在水流方向上的投影就是摩擦阻力。
压差阻力的产生是由于物体表面边界层产生分离。
边界层的分离常常伴随着涡旋的产生和能量的损失，从而物体前后面压强发生变化，产生了压强差了，增加了流动的阻力。
压差阻力主要取决于物体的形状，因此也称为形状阻力。
对于细长物体，例如顺水流放置的平板或翼型，则摩擦阻力占主导地位；而钝性物体的绕流，例如圆球、桥墩等，则主要是压差阻力。
液体对物体的绕流阻力可用下列公式计算[1]F D二 C D式中，C D 为绕流阻力系数；A 为物体在流速垂直方向的迎流投影面积2研究进展鉴于柱体绕流阻力问题在理论和工程实际中的重要意义，国内外许多学者 对此问题进行了许多研究工作，大多数是通过对柱体受到的作用力和流速的测量, 来确定其绕流阻力系数。
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圆柱绕流的数值模拟研究
圆柱绕流是流体力学中一个重要的问题，早在18th 世纪，物理学家Lagrange开始了对圆柱绕流的理论研究，而后人们又利用计算实验方法和计算机模拟技术，系统的研究了圆柱绕流的流动特性。
本文的目的是从大量的数值模拟实验结果出发，找出圆柱绕流的特性及其对不同参数的响应，从而为圆柱绕流设计提供依据。
首先，本文介绍了圆柱绕流的物理意义，以及数值模拟研究的基本过程。
圆柱绕流是指流经圆柱周围的速度受到围栏的影响，产生的涡流的组合，而且由于涡流的存在，流体的衍射和反射给流体带来了变化。
数值模拟研究是指用计算机对圆柱绕流的涡流组合和流体内部变化进行计算，从而得到流体流动的结果。
接下来，本文重点介绍了圆柱绕流的数值模拟研究，主要采用了基于平面流动计算和极坐标法的独特模拟方法，分析了圆柱绕流的流动特性，结果表明随着围栏尺寸的增大，流动的速度也会变大，而且当围栏受到一定的摩擦力时，流动的速度会受到一定的限制。
而且通过比较不同参数的模拟结果，还发现涡流的组合会受到不同参数的影响，比如粘性系数和温度的影响，这些结果将为圆柱绕流设计提供重要的参考。
其次，本文还对圆柱绕流的结构特性进行了深入的研究，利用可视化技术对不同参数下的绕流结构进行了详细分析，发现在给定围栏尺寸下，涡流的组合会随着温度增加而减少，流体的分布也会发生变化，在围栏尺寸较小时，涡流的组合会改变，流动的速度也会有明显
的变化，而且涡流的组合会产生一定的横向分布，这些结果将为圆柱绕流的改善提供重要的参考。
最后，本文还探讨了圆柱绕流在实际应用中的优点，圆柱绕流的特点是改变尺寸和形状容易，节省空间，常用于空调系统的制冷设备或者温度控制的装置，并且由于涡流的产生，圆柱绕流可以改变温度分布，提高空调系统的效率，也可以用于控制汽车的排气。
综上所述，圆柱绕流的物理意义及其特点，以及数值模拟研究的基本过程和步骤，以及圆柱绕流的流动特性和可视化技术，都提供了有力的支持，为圆柱绕流设计提供了重要的科学依据。
可见，圆柱绕流的数值模拟研究对于大量的工程应用具有重要意义。
总之，本文通过大量的数值模拟研究，找出了圆柱绕流的流动特性和参数响应，并且在研究中还应用了可视化技术，为圆柱绕流的设计提供了完善的依据，从而提高了圆柱绕流的效率，也极大的拓宽了圆柱绕流在实际应用中的可能性。