基于cfd的定常流体绕流流动数值模拟

基于cfd的定常流体绕流流动数值模拟

0气动干扰效应研究事实上，高层建筑、塔架、桥梁、副梁、副缆等结构是在航空领域支撑的。事实上，它们之间存在着动词干扰效应，这就使单件结构中的单元力和单带的破碎模式不同于孤立的单件结构。而串列钝体三分力系数气动干扰效应的研究是桥梁和建筑结构中类似结构物气动干扰效应研究的基础,所以在桥梁和高层建筑气动干扰效应的研究中具有重要的意义。关于多个钝体的气动干扰效应问题很早就被人关注。Biermann和Herrnstein早在1934年就对2个串列和并列布置的等直径圆柱体的干扰阻力研究,他们当时主要的目的是为了研究飞机支架的干扰效应。随后Zdravkovich(1977,1987,1993)就对不同排列方式的等直径圆柱体群的气动干扰效应进行了研究。随着研究的深入,Ko(1996)和AlamandZhou(2008))对不等直径圆柱体间的气动干扰效应进行了研究。LiuXianzhi等(2008)则对置于平滑流和紊流中的2个、3个和4个不同直径的圆柱体在串列布置情况下的三分力系数气动干扰进行了研究。Luo和Shah(1999)主要对错列布置的2个方柱三分力系数和横向驰振的干扰效应进行了研究。以上都是采用物理风洞试验为手段来研究气动干扰效应的,而对于以数值风洞的方法研究气动干扰效应的文献也有很多,比如:Murakami(1997)用大涡模拟方法对流场中振动的方柱体进行了研究;Taylor和Vezza(1999)用离散涡方法研究了方柱和三角形截面柱的绕流问题;Squires等(2008)用分离涡方法研究了超临界流绕圆柱体的情况;同济大学项海帆、顾明和曹丰产等采用物理风洞试验和数值风洞试验的方法对串列钝体绕流进行了研究,顾明教授课题组则更侧重于用物理风洞试验模拟的实际建筑群风坏境来研究钝体间的气动干扰效应。但是未发现有对不同截面形状(如倒直角断面,倒外凸圆弧断面和倒内凹圆弧断面)串列钝体三分力系数气动干扰效应进行研究的工作,只有很少文献(如Tamura在1998年和1999年)分别采用物理风洞试验和数值风洞试验对方形断面、倒直角断面和倒外凸圆弧断面的单个柱体进行了研究。本文的工作主要是对单个和串列的2个具有矩形断面、倒直角断面、倒外凸圆弧断面和倒内凹圆弧断面的柱体在不同风攻角和柱体间距的情况下,采用CFD数值模拟的方法,计算钝体在各种工况下的三分力系数,为桥梁和建筑中类似结构物驰振和抖振的研究奠定基础。1领域内流体动力学模型三分力系数的研究是桥梁抗风研究中的一项基本内容。三分力系数的研究为进行桥梁静风稳定性、抖振和驰振分析奠定基础。三分力系数的数值试验原理是通过对建立数学模型,将微分方程离散为代数方程的形式,对代数方程求解得到计算域内各点的压力和速度,此时钝体截面上前后和上下表面压强差面积分即为阻力和升力,阻力和升力的合力作用点与钝体截面形心不一致时会产生扭矩,将三分力无量纲化就得到三分力系数。本文钝体三分力系数的定义如下:阻力系数CD=D12ρU2BL,(1)CD=D12ρU2BL,(1)升力系数CL=L12ρU2BL,(2)CL=L12ρU2BL,(2)扭矩系数CM=M12ρU2B2L,(3)CΜ=Μ12ρU2B2L,(3)式中,B为气动力计算的特征尺寸;L表示节段模型的长度;U为离断面足够远处来流的平均风速;ρ为空气密度,取1.225kg/m3;D、L和M分别为体轴坐标系下钝体断面所受到的气动阻力、升力和扭矩。特征尺寸取来流方向构件断面的迎风宽度。本文数值风洞试验采用的数学模型是不可压雷诺时均N-S方程,考虑湍流效应,采用标准k-ε双方程湍流模型,由于横风向空气流速低,故流动处理为二维定常不可压,不考虑温度变化的效应,静力计算按定常处理。2数值风洞测试2.1阶精度计算方法本文采用有限体积法,模拟雷诺数在亚临界区域的绕流流动,模型周围流场利用Fluent6.1.2计算流体动力学软件求得。采用默认的Simple算法解决动量方程中速度分量和压力项耦合的问题,并结合壁面函数法,采用二阶迎风格式,对流项和扩散项等均采用二阶精度计算。由于本文所研究的问题钝体截面明显钝化,流场分离点位置几乎不变,在一般的工程结构所涉及的风速范围内,气动力系数与雷诺数无关,故不考虑雷诺数的影响。计算域的长宽均大于模型特征长度的40倍。在数值计算时,为了在湍流边界层达到有效的分辨率,绕流的网格往往划分得很细,而桥塔的尺寸很大,如采用全尺寸模型计算,网格数量巨大,导致湍流求解迭代速度较慢,故本文采用1∶100的缩尺比,网格划分采用非结构网格,网格数量大约为45万左右。外边界条件流体进口为速度入口边界条件,上下边界为对称边界条件,也就是上下边界为零滑移壁面,流体出口为压力出口边界条件,内边界均为无滑移边界条件。2.2模型结构设计模型尺寸的选择基于泰州长江大桥中桥塔顶端截面尺寸,选用6.6m×5.0m矩形截面,故截面模型上所受的阻力、升力和扭矩还有攻角的定义如图1所示。在此矩形截面的基础上在4个角上切去4个矩形,即形成倒直角断面,在4个角上生成内凹圆弧和外凸圆弧即形成倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面,矩形截面的各种断面倒角形式如图2所示。倒角的尺寸分别为:倒直角断面的倒角尺寸分别为0.3、0.6m和1.0m;倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面倒角尺寸分别为B/20、B/10和B/6,B为气动力计算的特征尺寸,在此取为矩形的长度方向的尺寸。风攻角参考规范取-10°～10°,每隔1°作为一个工况,计算风速为6.6m/s,计算得到雷诺数约为106量级,处于超临界状态。2个钝体的截面如图3所示,间距为D,分别取1.25B、1.75B和2.25B。布置方式沿顺风向平行排列,风攻角仍为-10°～10°,根据单个钝体的研究结果,倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面的倒角尺寸取B/6,倒直角断面的倒角尺寸为1m。本文选用文献来验证数值风洞试验参数设置的正确性。图4是对文献中数值模拟钝体绕流三分力系数实验值和模拟值数据的对比,风攻角为-5°～30°。由图4可知,3种断面的阻力系数在风攻角为0度时略微地增大,随后又减小,在风攻角为10°左右的时候会降至最低。矩形断面的阻力系数曲线呈中间凹下两端凸起的形状,而倒直角断面和倒外凸圆弧断面的阻力系数分别在风攻角为7°和5°的时候降至最低,然后呈一路增大趋势。而3种断面的升力系数整体曲线形状和阻力系数的曲线形状较为类似,在-5°到10°附近的时候呈减小趋势,然后又增大。本文的计算结果和文献中的结果还是有一定差异的,这主要是由于所采用的相似比、计算域和单元个数等不同和风洞试验的阻塞效应所致,不过差异较小,且计算结果的趋势和试验值较好地吻合,可以认为本文所采用的数值风洞湍流模型方法具有一定的合理性。2.3计算2.3.1不同风攻角的力系数和扭矩系数分布规律由图5～图8可知,矩形断面阻力系数基本上是10-3～10-4数量级的变化,故变化较不明显。倒内凹圆弧断面在尺寸为B/6时的曲线形状接近直线,但中间略微的凸起。其他截面的阻力系数曲线都是呈现出“凹”字的形状,最低点在0°风攻角附近,呈现出两边大中间小的曲线形状。升力系数和扭矩系数从风攻角-10°～10°呈现出减小的趋势,矩形断面除阻力系数变化较不明显外,升力系数和扭矩系数和其他断面变化趋势较为一致。各断面在不同风攻角情况下的阻力系数、升力系数和扭矩系数整体上依照矩形断面、倒直角断面、倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面的顺序依次减小,而倒直角断面、倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面随着倒角尺寸的增大,阻力系数、升力系数和扭矩系数呈减小的趋势,也就是说,单个钝体情况下的所有工况中,倒外凸圆弧断面在倒角尺寸为B/6时,阻力系数、升力系数和扭矩系数最小。另外,由各断面升力系数的图可知各断面的升力系数的斜率为负值,在风攻角为-10°～-6°和6°～10°时升力系数的斜率绝对值较小,在0°风攻角附近升力系数的斜率绝对值较大。根据单个钝体的研究结果,决定2个钝体只研究倒内凹圆弧断面、倒外凸圆弧断面尺寸为B/6m的情况,和倒直角断面研究倒角尺寸为1m的情况。2.3.2风攻角的影响由图9～图12可知,4种断面静风系数的变化趋势是一致的。2个钝体的矩形断面、倒直角断面、倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面的上游钝体的阻力系数的曲线形状呈向上凸的形状,这和单个钝体相应截面以及倒角尺寸为B/6的阻力系数的曲线形状和变化趋势基本一致,而下游钝体的曲线形状和变化趋势则正好相反,呈略微向下凸曲线形状。这是因为上游钝体的遮挡效应和上游钝体对下游钝体的气动干扰效应,使得下游钝体每度风攻角的阻力系数都要小于上游钝体。在0°风攻角时,由于其再附着的可能性较其他攻角小且尾流宽度大于其他风攻角,故上游钝体的阻力系数相对其他风攻角的阻力系数是最大的,而因遮挡效应下游钝体相对其他风攻角的阻力系数是最小的。这就使得在零度风攻角时,上游钝体和下游钝体的阻力系数相差最大,因而这4种断面的上游钝体的阻力系数变化曲线呈现向上凸的形状,下游钝体的阻力系数变化曲线呈现向下凸的形状,并且在一定的间距范围内,上游钝体随着间距的增大阻力系数在减小,下游钝体的阻力系数随着间距的增大而增大,这可能是因为间距越小,遮挡效应和气动干扰效应越明显的缘故。矩形断面、倒直角断面和倒内凹圆弧断面的上游钝体的升力系数和单个钝体的升力系数的变化趋势基本一致,都是随着风攻角的增大呈现减小的趋势;而下游钝体则可能由于气动干扰效应使得升力系数的变化趋势呈现出和上游钝体相反的趋势,随着风攻角的增大而逐渐减小,倒外凸圆弧断面下游钝体的升力系数的变化趋势不同于上述的3种断面,是随着风攻角的增大而减小。这可能是由于修改后的断面对流动产生平滑的作用或矩形的长边垂直于来流方向,尾流呈现出很强的涡旋脱落特征,致使下游钝体出现和上游钝体一样的变化趋势,但是气动干扰效应还是对下游钝体升力系数的大小产生较大的影响。由图可知,上游钝体随着间距的增大,升力系数的变化幅度越小,而下游钝体随着间距的增大,升力系数的变化幅度越大。矩形断面、倒直角断面和倒内凹圆弧断面升力系数的斜率的变化趋势和幅度基本上一致。上游钝体升力系数的斜率为负值,而下游钝体升力系数的斜率为正值。上游钝体升力系数的斜率绝对值在风攻角为-10°～-8°和8°～10°时较小,在0°风攻角附近较大;下游钝体升力系数的斜率绝对值在风攻角为-10°～-5°和5°～10°时较小,在0°风攻角附近较大。倒外凸圆弧断面上游钝体升力系数的斜率绝对值在间距为2.25B时基本为定值;间距为1.25B和1.75B时,倒外凸圆弧断面上游钝体升力系数的斜率绝对值在风攻角为-10°～-9°和9°～10°较大,在其余风攻角时基本为定值。而下游钝体在间距为1.25B时,升力系数的斜率绝对值在风攻角为9°～10°较大;在间距为1.75B和2.25B时,下游钝体升力系数的斜率绝对值在-10°～-9°和9°～10°较小,在其余风攻角时较大。对于扭矩系数,4种断面在0°风攻角时,上游钝体和下游钝体的扭矩系数接近相等,而在其他风攻角时,由于2个钝体间的气动干扰效应,上游钝体和下游钝体的扭矩系数相差较大,从图中可以看出,4种断面上游钝体的扭矩系数在不同的间距时,数值相差较小;而下游钝体在不同间距时,扭矩系数不论是在数值上还是在变化趋势上都呈现出较大的变化,且随着间距的增大上游钝体的变化幅度变小,下游钝体的变化幅度变大。3单个砾体不同断面的静风系数传统适当选取时长为6个月内模型模拟比较(1)对单个钝体而言,各断面在不同风攻角情况下的阻力系数、升力系数和扭矩系数整体上依照矩形断面、倒直角断面、倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面的顺序依次减小,而倒直角断面、倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面阻力系数、升力系数和扭矩系数随着倒角尺寸的增大,呈减小的趋势,也就是说,单个钝体情况下的所有工况中,倒外凸圆弧断面在倒角尺寸为B/6时,阻力系数、升力系数和扭矩系数最小。(2)对2个钝体而言,4种断面的静风系数的变化趋势基本一致,