任立峰双圆柱绕流解读.doc

1、二维并排双圆柱绕流数值模拟摘要：为研究不可压缩流动中二维的并列双圆柱在不同间距和流速下的流动情况和影响因素。选取间距分别为 3m，1m 两个距离建立模型在选取速度为 0.2m/s；0.6 m/s；1 m/s 进行模拟，对不同距离情况下的速度云图速度轮廓图得出了不同距离情况下的流动情况， 同时研究了同一模型下不同速度对流动情况的影响。并通过查阅文献验证了用 fluent 模拟的正确性。关键字： 二维双圆柱；数值模拟；不可压缩流动；数值传热学1.引言数值传热学， 又称计算传热学，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法，通过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学的基本思

2、想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场，浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程（称为离散方程） 。求解所建立起来的代数方程已获得求解变量的近似值。目前，比较流行的数值模拟分析应用软件有FLUENT 、CFX 、STAR-CD 、和 PHOENICS 等，而 FLUENT 是国内外比较流行的商用 CFD 软件包，该软件以其市场占有率高、计算准确、界面友好、使用简单、应用领域广、物理模型多而获得较高的市场占有率和用户的肯定。建立模型2.建立模型 ：以下均采用二维非耦合计算模式，采用非定常计算模式；动量方程离

3、散模式为二阶迎风模式；残差控制为 1.0e-0.3。对于不可压缩粘性流体，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? uj= 0（ 1-1）?x j? ui +?1 ? P?u j)（ 1-2）u u = -+(v? tji? xi?x j?x j?x j边界条件u = U, v =0（ 1-3）采用双圆柱并排排列的方式选择两园间距1 米和 3 米即 1 倍直径和 3 倍直径建立模型此模型长为圆的直径的 32 倍宽为圆的16 倍直径圆心距入口距离为6 米其模型如下图。图 1间距为 1 倍直径的模型图 2间距为 3 倍直径的模型3 用 gambit 建立模型并

4、进行网格划分和设定边界条件3.1 网格的划分对圆柱的周围用线进行分割线距离圆柱的圆心的距离为2m 即 2D，在圆柱周围围城的矩形框内对网格进行单独的划分，在圆柱周围采用pava 进行划分，对圆柱的矩形框外的使用 map 进行划分。对边采用等距离进行划分每个节点间距0.05m 对两圆间距1 倍直径的进行网格划分共得到12868 个网格如图3。同理对间距为3 倍直径的模型进行网格划分共得到12846 个网格如图4。图 3 间距为 1m 的模型图 4 间距为 1m 的模型3.2 边界条件的定义对计算区域进行边界条件定义，选中左边线为进口边线，在name 文本框中输入inlet ，将 type 栏选为

5、 Velocity-inlet ，在 Entity 栏宣威 Edges。选取右边线为出口边线，在name 栏目中输入 Outlet ，将 Type 栏选为 Outlet ，在 Entity中选取 Edges。然后输出网格文件。4 使用 fluent 进行解算4.1 对间距为 3m 的模型进行解算选用的水作为流体为流经计算区域的流体，从入口的速度分别设定为0.2m/s， 0.6m/s和 1m/s 分三个速度对这个模型。首先导入并检查网格，然后单击display grid显示网格。第二步选择计算模型，在define models viscous 选择 k-epsilon 模型，设置求解器是打开so

6、lver 对话框，在 Time 下选择 Unsteady （非定常），在 Unsteady Formulation中选择 2nd-Order-Implicit 。在 PorousFormulation 中选择 Superficial Velocity。保持其他默认设置不变。 将流体材料设置为水， Fluent中有这一材料，直接复制即可。设置边界条件时先设置fluid 流体区域的边界条件，再设置入口速度边界条件，将入口速度velocity magnitude 栏内输入0.2，右侧栏内选择constant。并保留出口和墙壁的默认设置。打开残差设置对话框， 选择 option 下面的 plot ，c

7、onvergence 下面对应的数值均为0.001，单击 ok 按钮确认。最后进行流场初始化和保存文件。点击 solver-iterate 开始迭代，将迭代次数设置为20000 次。计算完成后保存结果。再分别更改入口速度为0.6m/s 和 1m/s 进行求解。三次求解的残差图分别为图5，图 6，图 7图 50.2m/s 时的残差图图 60.6m/s 时的残差图图 71m/s 时的残差图可由残差图看出来对两圆柱间距3 米是在速度为0.2m/s， 0.6m/s 和 1m/s 进行求解过程是收敛的，迭代过程正确。4.2 对间距为1m 模型进行解算对间距为 1 倍直径的模型进行解算的过程和上面一样只不

8、过是换了一个模型，通过解算入口速度分别为0.2m/s ，0.6m/s 和 1m/s 情况进行解算。 其残差图分别为图8，图 9 和图 10。图 80.2m/s 时的残差图图 90.6m/s 时的残差图图 8 1m/s 时的残差图可由残差图看出来对两圆柱间距1 米是在速度为0.2m/s， 0.6m/s 和 1m/s 进行求解过程是收敛的，迭代过程正确。5.解算结果以及结果分析5.1 不同速度情况下模拟结果的对比分析5.1.1 间距为 3m 的模型进行解算结果及分析（1）不同速度下的速度云图的对比如图10图 12图 100.2m/s 时的速度云图图 110.6m/s 时的速度云图图 121m/s

9、时的速度云图通过对不同速度下的得出的速度云图对比可以看出速度云图的变化由横向是对称的，随速度的增大过圆柱后的速度变化会越大，高速区域集中在圆柱的上下两侧，在圆柱的前后是速度的低速区。 圆柱后侧低速区域的范围呈现箭头状，越往外速度的值越来越大。产生的涡流也会相应变大。（2）不同速度下的涡量云图的对比如图13图 15图 130.2m/s 时的涡量云图图 140.6m/s 时的涡量云图图 15 1m/s 时的涡量云图通过对不同速度下的得出的涡量云图对比可以看出随速度的增大过圆柱产生的涡量也会相应的变大，在圆柱周围产生的涡流的范围会相应的扩大。5.1.2 间距为 1m 的模型进行解算结果及分析（1）不

10、同速度下的速度云图的对比如图16图 18图 160.2m/s 时的速度云图图 170.6m/s 时的速度云图图 181m/s 时的速度云图在两圆柱距离为1m 是不同速度下模拟的得出的速度云图对比的出的变化规律与圆柱间距基本相同。（2）不同速度下的涡量云图的对比如图19图 21图 190.2m/s 时的涡量云图图 200.6m/s 时的涡量云图图 21 1m/s 时的涡量云图在两圆柱距离为 1m 是不同速度下模拟的得出的涡量云图对比的出的变化规律与圆柱间距基本相同。5.2 两圆柱在不同间距下对流场的影响当两圆柱在不同间距时会对以相同速度通过的流体的流场产生不同的影响，选择在0.2m/s 和 1m

11、/s 两种不同情况下的速度云图，压力云图和涡量云图进行对比分析不同的圆柱对通过的流体流场的影响情况。5.2.1 两圆柱在不同间距时速度云图的对比（1）水流速度为1 m/s 时速度云图对比图 22间距 3m 速度云图图 23间距 1m 速度云图（2）水流速度为0.2 m/s 时速度云图对比图 24间距 3m 速度云图图 25间距 1m 速度云图通过在相同流速下不同间距的模型下出的结果得出的速度云图可以看出在流速较大的时候间距较大的在圆柱后产生的速度变化比较明显，而在速度较小的则在圆柱之间的间距较大的影响范围较大，在圆柱的两边则是间距较小的影响范围大，这是由于间距较小的对水流的阻挡能力比较集中而造

12、成的。5.2.2 两圆柱在不同间距时压强云图的对比（1）水流速度为1 m/s 时压强云图对比图 24间距 3m 压强云图图 25间距 1m 压强云图（2）水流速度为0.2 m/s 时压强云图对比图 26间距 3m 压强云图图 27间距 1m 压强云图通过对比在相同速度下不同间距的模型模拟出来的压力云图可以看出间距较大的在圆柱前产生的高压区较小而在圆柱后产生的高压区也较小，这是由于产生的涡流较大的原因。5.2.3 两圆柱在不同间距时涡量云图的对比（1）水流速度为1 m/s 时涡量云图对比图 27间距 3m 涡量云图图 28间距 1m 涡量云图（2）水流速度为1 m/s 时涡量云图对比图 29间距

13、 3m 涡量云图图 30 间距 1m 涡量云图通过对比在相同速度下不同间距的模型模拟得出的涡量云图可以看出在距离为生的涡量不会相互影响而在间距1m 时产生的涡量会相互影响，在速度为1m/s响涡量云图范围变小，而在0.2m 时范围变化不明显。3m 时产由于相互影6 结论与展望6.1 结论（ 1）整个计算域的压强基本呈对称分布，在圆柱的后侧存在低压带，并且低压带的范围先扩大再缩小。（ 2）速度云图总体呈对称分布，高速区域集中在圆柱的上下两侧，在圆柱的前后是速度的低速区。圆柱后侧低速区域的范围呈现箭头状，越往外速度的值越来越大。（ 3）通过在相同流速下不同距离的模型下出的结果得出的速度云图可以看出在

14、流速较大的时候间距较大的在圆柱后产生的速度变化比较明显，而在速度较小的则在圆柱之间的间距较大的影响范围较大，在圆柱的两边则是间距较小的影响范围大，这是由于间距较小的对水流的阻挡能力比较集中而造成的。（4）通过对比在相同速度下不同间距的模型模拟得出的涡量云图可以看出在距离为3m 时产生的涡量不会相互影响而在间距1m 时缠上的涡量会相互影响，在速度为1m/s 由于相互影响涡量云图范围变小，而在0.2m 时范围变化不明显。（ 5）二维双圆柱在不可压缩流体过程其流场受圆柱间距以及流速等因素的综合影响，在不同情况下主要受主导因素的影响作用较大。6.2 展望由于仅仅对速度在大于0.2 而小于 1m/s 的

15、情况和间距为圆柱直径1 倍和 3 倍的情况进行模拟研究，具有明显的局限性。应对速度更高和更低的速度情况进行研究，选择更多间距情况进行研究可以使得研究更加完善。参考文献1邓见 .分块法研究圆柱绕流升阻力J.力学与实践 ,2004(26):24262戴绍仕 .孤立圆柱及串列圆柱水动力数值试验研究D. 黑龙江 :哈尔滨工程大学 ,20043孟元元 . 圆柱绕流的数值模拟研究D. 甘肃农业大学 ,2010.4 白桦 . 低雷诺数圆柱绕流数值模拟及控制措施J. 建筑科学与工程学报 ,2012,27(4).5 杨纪伟，付晓丽 . 圆柱绕流研究进展 J. 中国水运 (下半月 ),2008,05:156-158.6张立 . 小雷诺数下圆柱绕流的数值模拟J. 力学季刊 ,2010,04:543-547.7何鸿涛 . 圆柱绕流及其控制的数值模拟研究D. 北京交通大学 ,2009.8段志强 . 低雷诺数下尾部隔板影响圆柱绕流的数值研究D. 重庆大学 ,2012.读书的好处1、行万里路，读万卷书。2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。3、读书破万卷，下笔如有神。4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。 达尔文5、少壮不努力，老大徒悲伤。6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。 颜真卿7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。8、读书要三到：心到、眼到、口到9、玉不琢、不成器