垂直振动圆柱绕流开题报告

1、毕业设计（论文）开题报告题目 Fluent软件在垂直振动圆柱绕流中的应用专 业 名 称 飞行器设计与工程班 级 学 号 学 生 姓 名 魏孔泯指 导 教 师 何国毅填 表 日 期 2015 年 4 月 3 日一、选题的依据及意义： 钝体绕流是流体力学的经典研究课题之一。所谓钝体是指这样一些物体，他们的绕流会在大部分物面发生分离。钝物体绕流问题大量出现在实际问题中，如风工程中风对各种建筑物的绕流、海岸工程中的河水流过桥墩、海洋石油工程中的开采平台、钻杆、水下输油管道、化学工程、地面交通、航空航天等广泛领域中。在工业设备中绕流现象更是经常发生，如各类管壳式换热器。而且绕流也涉及流动分离、漩涡的生成

2、和脱落，可以诱发作用在物体上纵向和横向的非定常载荷，激起结构的振动响应，即涡致振动。有时涡致振动甚至会造成结构损毁的严重后果。因此掌握钝体绕流的特性对工程实际和工业设备的设计非常重要。长期以来一直是学者们的研究热点，其中尤其一圆柱绕流最为常见和重要，这不仅是因为它在工程技术中应用最广，而且研究他也是了解其他各种柱状钝体绕流的基础。一般认为雷诺数是圆柱绕流中其决定作用的的因素，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，在雷诺数小时，是定常流动，当雷诺数继续增加时，圆柱后会产生一对位置固定、对称的尾涡。当雷诺数较大时，尾流首先出现失稳并周期性振荡。之后附着涡交替脱落，

3、泻入尾流形成卡门涡街，随着雷诺数的增加，流动会越来越复杂，最后发展为湍流。一般研究圆柱绕流有试验方法和数值模拟两种方法。其中试验方法是在水洞中进行实验并获得数据。用双色注射染料显示尾迹结构,使用激光多普勒测速仪获得速度数据。但这种方法的使用条件比较高，所需费用也比较高。相对而言数值模拟方法使用条件和操作过程相对简单，研究过程所发费用也相对较少，因此数值模拟方法应用比较广泛。本文研究采用Fluent软件，分别用多种流动模型在不同的雷诺数下对圆柱绕流进行数值模拟，计算得到升阻力系数、分离点位置等结果，并对实验结果进行比较。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：1、钝体绕流的研究钝体绕流的研究

4、已经有相当长的历史。早在1879年，Strouhal研究弦线在空气中振动发声时，发现其频率只与弦线的直径和速度有关，为一常数，称之为斯特劳哈尔数(St数)，也可用折合频率k表示。一年后，Rayleigh在观察风吹琴弦振动时，注意到弦的振动不是沿着风向，而主要发生在与风垂直的方向。1908年，Benard观察并研究了圆柱体尾迹中的周期性和旋涡脱落现象。1912年冯卡门系统研究了涡街的形成和稳定性问题并确定了涡系动量与尾流阻力之间的关系，成为钝体绕流研究的一个重要里程碑。近年来，由于海洋工程、航空工程和工业空气动力学的实际需要，钝体绕流再次引起了人们极大的兴趣。但是，由钝体尾迹是随着旋涡脱落的复杂

5、分离运动，对于我们来说，许多流动现象和其根本的物理机制仍未得到透彻的认识。众所周知，圆柱绕流是一种复杂的流动现象，它基本上是由三种现象组成的，边界层流动、分离的自由剪切层流动和尾迹流动。在多年来的研究过程中，国内外的研究取得了进展，主要可以用三个标志性研究成果来代表：(1)1912年， 冯卡门第一个系统研究了圆柱尾流涡街的形成和稳定性问题，并确定了涡系动量与尾流阻力之间的关系，成为钝体绕流研究的一个重要里程碑；(2)1954年，Roshko运用实验方法，第一个发现了圆柱绕流存在转捩区，确定其尾流在低雷诺数和中等雷诺数之间存在三个不同的发展阶段：线性流动阶段，转捩阶段和不规则的湍动阶段。(3)1

6、992年，Williamson通过实验首先精确确定圆柱绕流三维转捩的雷诺数发生范围180260。并在圆柱近壁区发现流向涡存在两种模式，它们都与三维转捩有关。关于绕流流动中的三个经典研究成果，国内外已有大量的学者进行了研究。Karman涡街的存在是圆柱尾迹流动的主要特征。早在1912年， 冯卡门就对这个物理现象进行了论述。在研究过程中，不仅发现了稳定的涡街，而且建立了涡街结构和作用在圆柱上阻力之间的关系。以后大量的工作开始致力于揭示圆柱绕流的物理特征的奥秘(Kovasznay 1949。Rosenhead 1953，Wille 1960，1966)。1954年，Roshko运用实验方法，发现了圆

7、柱绕流存在转捩区，尾流速度波动存在明显的不规则性。而且流场从低雷诺数到中等雷诺数，圆柱尾流存在三个不同的发展阶段：线性流动阶段，转捩阶段和不规则的湍动阶段。随后，又有大量研究(Berger&Willel972，Oertell990，和Coutanceau&Defaye 1991，Blevins1990)刻画描述这三个不同发展阶段的物理特征(St数，升力和阻力系数，背压系数，尾迹分离点，表面剪切压力，回流区长度和尾流速度值等)。但是，上述研究部是建立在二维研究基础上，忽略了三维作用效果。到80年代后期，科学家们开始将研究转向圆柱尾流湍流三维转捩的方向上(Williamson 1988a,b，Ei

8、senlohr&Eckelmann 1989)。1992年，Williamson通过实验发现圆柱尾涡脱落现象，并在近壁区精确发现流向涡存在两种模式，它们都与三维转捩有关，发生的雷诺数在180-260。该项成果是圆柱尾迹研究史上另一个里程碑，从此大量的实验和数值计算进行了揭示圆柱尾迹三维转捩机理的研究(Kamiadakis&Triantafylloy 1992，Braza 1994，Dusek,Le&Fraunie 1994)。Williamson(1996)的文章对近年来这方面的工作有较完整的归纳总结。1955年，Taneda在玻璃水槽中进行了圆柱尾涡的测量试验。1966年，Gerrard对尾

9、迹中的涡脱落和涡街形成机制给出了一种物理描述，并认为造成涡脱落的决定性因素是物体后部的二个分离剪切层的相互作用(剪切层相互作用模式)。目前，对卡门涡街形成的物理机制有不同方面的研究，有些学者从涡层相互作用的方面做了很多研究。吴介之等(1993)研究了低Re数下圆柱尾涡对称结构发生变化的动力学过程。Williamson(1996)总结了有关圆柱尾迹的涡动力学研究成果，指出以圆柱为代表的钝体绕流为代表具有复杂的现象，他们常常涉及到三个剪切层，也是边界层、分离自由剪切层和尾迹的相互作用。如图1所示图1圆柱绕流中剪切层示意图，摘自Williamson(1996)Coutancea等人(1988)则采用

10、二次涡振荡模式对圆柱尾涡形成的过程进行了解释。Perry等人(1982)则用圆柱尾流中瞬时流线和染色线的拓扑性质来分析涡街的形成过程。Triantafgllou等(1986)，Monkewitz(1988)，Oertel(1990)认为涡街的形成来自近尾流区尾迹发展的绝对不稳定性。这些研究角度各异的研究都有助于加深对涡街的物理机制的认识。2、数值模拟方法的研究经过了几十年的发展，CFD 出现了多种数值解法，这些方法之间的主要区别在于对于控制方程的离散格式。根据离散的原理不同，CFD的三个主要方法为：1）有限差分法 (Finite Difference Method，FDM)； 2）有限元法 (

11、Finite Element Method，FEM)； 3）有限体积法 (Finite Volume Method，FVM)； 有限差分法是应用最早、最经典的 CFD 方法，它将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分方程组的解，就是微分方程定解问题的数值近似解。 它是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。 这种方法发展较早，比较成熟，较多地用于求解双曲型和抛物型问题。 有限元法是20世纪80年代开始应用的一种数值解法， 它吸收了有限差分法中离散处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函

12、数对区域进行积分的合理方法。有限元法基本求解过程是把计算区域划分为有限个互不重叠的单元， 在每个单元内选择一些合适的节点作为求解的函数的插值点。 将微分方程中的变量写成由各个变量或其导数的节点值与所选的插值函数组成的线性表达式，将微分方程进行离散求解。有限元法对结构的求解具有很强的适应性，可以解决很多实际的工程问题。有限体积法是将计算区域划分为一系列控制体积， 将待解微分方程对每一个控制体积积分得出离散方程。有限体积法的关键是在导出离散方程的过程中，需要对界面上的被求函数本身及其导数的分布做出某种形式的假定。 用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数物理意义明确，计算量

13、相对较小。有限体积法利用控制体积分使离散方程的守恒性得到自然满足这一优势使得该方法得到了广泛应用。 随着计算方法迅速发展以及计算机内存的改善，越来越多的研究者开始趋向于通过CFD的方法来研究圆柱涡激振动问题。Mittal & Tezduyar (1992)采用有限元法对290 Re360的流场中圆柱横向涡激振动进行数值计算，观察到了迟滞和锁定现象。Blackbur等(1993,1996)对低雷诺数下圆柱涡激振动的数值计算研究了圆柱振动响应和受力变化，并且分析了质量比和阻尼对振动响应幅值变化的影响。Newman & Karniadakis(1995)则采用贴体坐标方法对低雷诺数下弹性索绕流进行二

14、维及三维直接数值模拟。Zhou 等(1999)采用离散涡方法计算了圆柱在均匀来流情况下的单自由度和双自由度下的动态响应, 并研究了阻尼和质量比对响应值的影响，认为质量比对圆柱涡激振动响应有重要影响。Guilmineau&Quentey (2001)对低质量比弹性支撑刚性圆柱在雷诺数900Re15000的流场中的横向涡激振动进行计算。计算结果表明圆柱涡激振动响应与初始条件相关，当圆柱从静止或是速度减小情况下仅能够得到涡激振动的下端分支，流体速度不断增大的情况下，能够得到与实验值相当的最大振幅，但上端分支与实验结果不能很好的吻合。Williamson&Govardhan (2004)对众多研究人员

15、对低雷诺数层流圆柱的涡激振动数据进行整理，表明在锁定区域的低速段存在迟滞循环，同时也表明了在低雷诺数层流泻涡中的横向涡激振动的最大振幅要远小于高雷诺数下的最大振幅值。Singh & Mittal(2005)研究了低雷诺数下折合速度与雷诺数对圆柱涡激振动响应的影响。在他们的计算中发现：当Re 300时，尾流中出现了P+S 形式的泻涡，这是第一次在自激振动中发现 P+S 形式的泻涡。同时他们还发现泻涡结构的变化对流向振幅的影响要比横向振幅的影响要大。Wanderley等(2005,2008)在Khalak & Williamson(1996)实验的基础上对弹性支撑刚性圆柱涡激振动进行数值模拟，研究

16、了振动圆柱的受力、位移、振动频率及泻涡结构变化情况。潘志远等(2005)采用两种湍流模式对弹性支撑圆柱体涡激振动进行数值模拟，并对不同湍流模式下的圆柱体的运动响应、所受流体力和尾流漩涡结构与实验结果进行了对比；黄智勇等(2007)则对质量比对两自由度弹性支撑圆柱涡激振动运动响应影响进行了研究， 并确定了一个流向振动对横向振动幅值影响变大的临界质量比。而曹丰产等(1998)用二阶投影法和多重网格法求解N-S方程并用Newmark- b 法求解柱体振动方程, 成功地预测了涡激振动的拍频和锁定现象，赵刘群等(2006)采用ALE方法对 Re = 90150流场中圆柱涡激振动进行计算，参数选择与Ana

17、gnostoplulos & Bearman (1992)的实验参数相同，也模拟出了涡激振动的拍频和锁定现象。除了上述的圆柱横向受迫振荡外，Dutsch et al(1998)以及Guilmineau et al (2002)对静水中振荡圆柱绕流进行了数值模拟。此外，周林慧等(2004)通过直接求解原始变量N-S方程结合动网格技术也对静止水中振荡圆柱绕流场进行数值计算并与Dutsch et al (1998)的结果进行了比较；张宇飞、符松等(2007)还对流向受迫振荡圆柱绕流的漩涡脱落模态进行数值分析。三、研究内容及实验方案：1、研究内容：用数值模拟的方法研究：（1）、二维静止和垂直振动圆柱在

18、均匀来流中的绕流情况；（2）、并比较不同雷诺数下尾涡的形成、发展和最终形态；（3）、模拟并研究卡门涡街的形成过程；（4）、绘制压力系数分布线图和速度矢量图；（5）、计算得到升阻力系数、分离点位置，涡脱落周期、Strouhal数、流函数等结果。2、试验方案：采用基于有限体积法的CFD软件Fluent的动网格技术，在不同的雷诺数下对垂直振动圆柱产生的绕流进行数值模拟，通过动画的形式显示圆柱后形成的尾涡，绘制压力系数分布线图和速度矢量图，计算得到圆柱绕流的升阻力系数，并对实验结果进行比较。四、目标、主要特色及工作进度1、目标：学习有关在均匀流场情况下圆柱后尾迹的相关理论知识及其应用，了解CFD相关知

19、识，熟悉Fluent软件及后处理软件，利用Fluent软件计算静止和垂直振动圆柱绕流的气动效能和流场结构，分析升力和阻力产生原因，给出一般结论。2、本课题需要解决的问题：（1）、如何建立二维静止和垂直振动圆柱的模型；（2）、如何改变雷诺数和实现动网格技术；（3）、如何用动画显示尾涡的形成过程；（4）、如何绘制压力系数分布线图和速度矢量图。3、主要特色：利用计算流体力学软件FLUENT及嵌入UDF和动网格技术，对对垂直振动圆柱产生的绕流进行数值模拟。并通过动画的形式显示圆柱后尾涡的形成过程，绘制压力系数分布线图和速度矢量图，计算得到圆柱绕流的升阻力系数，与实验方法相比使用条件和操作过程相对简单，

20、研究过程所发费用也相对较少。4、工作进度：1收集资料，英文资料翻译，完成开题报告； 3.2.3.8 1周2熟悉Fluent软件，并构建二维模型； 3.93.15 1周3利用Fluent软件进行数值模拟，计算气动性能； 3.163.29 2周4. 初步分析流场，算出气动力力及流场结构 3.304.26 4周5进行精确计算，并分析流场 4.275.24 4周6. 分析处理数据 5.255.31 1周7. 撰写毕业论文及答辩准备 6.16.19 3周五、参考文献1江帆主编， Fluent高级应用与实例分析，清华大学出版社，2008.7；2韩占忠主编，Fluent流体工程仿真计算实例与应用，北京理工大学出版社，2009.9；3约翰 D安德森主编，计算流体力学基础及应用，机械工业出版社，2009.6；4钱翼稷主编，空气动力学，北京航空航天大学出版社，2005.2；5Frank M. White. Viscous Fluid Flow M. McGraw Hill Inc , 1974.6叶春明 ,吴文权.数值模拟圆柱绕流旋涡生成、分离及演化J .华东工业大学学报 ,1995 ,17(4) :2530.7叶春明 ,吴文权.数值模拟圆柱绕流旋涡运