用FLUENT模拟不同排列下的双柱绕流流场-

1、【水利水电工程】用F LUE NT 模拟不同排列下的双柱绕流流场杨纪伟,滕丽娟,郑薇薇,李书芳(河北工程大学,河北邯郸056038摘要:采用流体软件F LUE NT 从改变两圆柱中心连线与流向夹角的角度出发,模拟雷诺数为200、夹角为90(并列、30、45、60、0(串列时的绕流流场。双柱串、并列旋涡分布规律与已有研究成果一致,串列双柱中心线流速与试验结果基本吻合,通过模拟进一步分析了夹角变化对流场的影响,F LUE NT 模拟较为成功。关键词:圆柱;夹角;绕流流场;旋涡分布;F LUE NT中图分类号:T V143文献标识码:A 文章编号:100021379(20090320074202河道

2、建桥通常采用圆柱桥墩,但大多数情况下桥不是垂直穿过河道断面的,而是存在一个桥河交叉角,交角不同会导致桥墩周围流场不同,对此可以通过数值模拟来捕捉圆柱绕流流场的变化1。Standsby P K 用离散涡方法研究了并排、串列和交错放置的双圆柱绕流问题;Slaoutiand A 和Standsby P K 利用随机涡方法计算了不同间距雷诺数Re =200时的串、并列双圆柱流场2。而笔者直接使用流体软件F LUE NT,在二维流场中模拟双圆柱间距固定(6c m 、圆柱中心连线与流向成不同夹角的绕流状态,同时对比其他学者的研究结果3-4,分析区域中心线上的流速试验值,验证了F LUE NT 流体软件解决

3、该问题的有效性和可行性。1数值模拟1.1计算工况进行二维数值模拟时,取双柱中心连线与流向夹角分别为90、60、45、30、0。特征参数如下:来流速度U =0.005m /s,流体的密度=1000kg/m 3,运动黏性系数=1cm 2/s ,圆柱直径D =0.04m ,则雷诺数R e =200,固定圆柱中心间距为0.1m,前柱中心距进口为0.2m 、两柱中心距上、下边界等距,计算单元全长1m 、宽0.6m,夹角为30的计算区域见图1(其他情况类似 。图130夹角计算区域1.2控制方程研究对象为不可压缩层流2,在二维直角坐标系下,其运动规律可用N -S 方程来描述:9u 9x +9v9y=0(19

4、u 9t +u 9u 9x +v 9u 9y =(92u 92x +92u 92y -19p9x (29v 9t +u 9v 9x +v 9v 9y=(92u 92x +92u 92y -19p 9y (3式中:x 为与无穷远处来流平行的水平方向坐标;y 为与无穷远处来流垂直的竖直方向坐标;u 、v 为流场中沿x 方向和y 方向的速度;p 、t 分别为压强和时间。1.3边界条件两圆柱表面采用壁面边界条件,即无滑移条件;上、下边界处采用周期性边界条件;出口处为流量出口条件;进口处采用速度进口边界条件,u =0.005m /s,v =0m /s 。1.4算法设计对控制方程式(1式(3采用有限体积法

5、(F VM 进行离散,压力采用二阶离散格式,动量采用二阶迎风格式,压力与速度耦合采用SI M P LE 算法。计算时间步长取0.5s,在每个时间步内设置迭代次数为20。1.5网格生成为了在圆柱表面生成正交性良好的结构化网格,这里在G AMB I T 中分块生成网格5,计算区域被分成17块(见图1。不同夹角工况下整个计算区域生成的网格数均为15000个左右。2计算结果为了对比不同桥河交角对双柱周围流场的影响,定义某一时刻旋涡自上方圆柱上侧和下方圆柱下侧脱落的状态为标准对比状态。收稿日期:2008206228作者简介:杨纪伟(1960,男,河北永年人,教授,主要研究方向为水力学、河流动力学。E 2

6、mail:yangj w hebeu .edu .cn第31卷第3期人民黄河Vol.31,No.32009年3月YE LLOW R I V ER Mar .,2009 应用流体软件F LUE NT 可得到双柱中心连线与流向夹角分别为90、60、45、30、0时涡量分布及速度矢量图。在标准对比状态下定义3条直线:通过上方圆柱中心的水平直线L 1,通过下方圆柱中心的水平直线L 3,通过计算区域中心的水平直线L 2。直线上的速度分量见图2图6 。3计算结果分析(1无论双柱以上述哪种方式排列,其尾流形成的旋涡脱落都呈现一定的周期性。并列时,间距比为10c m /4c m =2.5,大于临界间距比2.2

7、6,双柱有各自的尾流,旋涡脱落对称且呈反相,上、下两圆柱水平分速相等,竖直分速大小相等、方向相反。串列时,间距比为2.5,在区间(1.1,3.5内7,上游圆柱尾流仅形成一对稳定的对称旋涡,旋涡没有发放迹象,附着于下游柱,边界层在下游柱背面分离。将双柱并、串列涡量分布及速度矢量图以及图3、图4与文献3,5,7中结果对比,可以看出数值模拟结论一致 。(2双柱并列产生旋涡数量最多,整个流场受扰动最大。随夹角变小,下方圆柱的旋涡脱落受到抑制,生成旋涡数量减少,流场受到的扰动变小,脱落的旋涡也越来越小。串列时生成旋涡数最少,在两个方向的速度分量也都最小。(3区域中心线水平分速U 2在双柱并列时最大,随夹

8、角变小到45时U 2随之变小,但均为正值,当夹角为30时水平分速U 2变负,在下游圆柱背面所对应的区域中心位置出现回流,见图4、图5。此外由图4还可以看出,45夹角对应的两圆柱背面尾流回流速度U 1(上方圆柱、U 3(下方圆柱最大。区域中心线竖直分速V 2在双柱并列时为0,随夹角变小V 2增大(接近于串列状态的夹角除外,但区域中心线上的竖直分速V 2总小于两圆柱中心线上的竖直分速V 1(上方圆柱、V 3(下方圆柱。图6进一步表明双柱串列流速的模拟值和试验值基本吻合,应用FLU EN T 软件在同一模型下使用相同的分块网格生成法进行数值计算可行、有效。参考文献:1焦爱萍,张耀先.桥墩局部冲刷分析

9、及防护对策J .人民黄河,2003,25(7:21-22.2Zdravkovich M M.Revie w of fl o w interferences bet w een t w o circular cylinders invari ous arrange ments J .Journal of Fluids Engineering,1977,99:618-632.3徐元利,徐元春,梁兴,等.F LUE NT 软件在圆柱绕流模拟中的应用J .水利电力机械,2005,27(1:39-41.4费宝玲,郑庭辉,杨骏六.数值分析串列双圆柱绕流J .西南民族大学学报,2007,33(2:376-380.5邓见,黄钰期,任安禄.分块法研究圆柱绕流升阻力J .力学与