ANSYS-CFX軟件在鈍體繞流和流固耦合中的應用研究

劉 娟，董啟明

(中國民航機場建設集團西南分公司， 四川成都610000)

鈍體繞流和流固耦合課題[1～3]廣泛存在于土木工程領域，比如超高層風致互繞、膜結構風致振動相應、橋梁及拉索的風振和雨振等。盡管該領域已有若干年的發(fā)展，但是由于該問題應用廣泛、理論復雜、研究手段有限，因此該領域的研究遠未成熟。

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬軟件也隨之逐漸進步和成熟。比較著名的商用軟件ANSYS已經(jīng)能夠進行部分流固耦合問題的研究。現(xiàn)在的ANSYS軟件12版本以上，已經(jīng)集合了原有的ANSYS MECHANICAL、ANSYS-CFX和ANSYS-FLUENT，在Workbench和AYSYS-MULTIFILED的整合下，可進行流固耦合問題的數(shù)值模擬。

本文皆在利用ANSYS-CFX軟件進行若干算例的數(shù)值模擬研究，以證明該軟件和該方法的有效性，可為類似工程問題借鑒和參考。

1 控制方程

在求解流固耦合的問題過程中，不可避免的就是要求解流體力學控制方程。不可壓縮流體連續(xù)性方程和動量守恒方程(Navier-Stokes，N-S方程)表示如下：

(1)

(2)

式中：v、p分別是速度和壓力矢量，ρ、v分別是流體密度與運動粘度。對于水，這里取ρ=1 025 kg/m3，v≈1.0×10-6m2/s。

流體方程的求解采用CFX軟件中的有限體積法求解。固體方程的求解采用的是傳統(tǒng)的有限元方法。

2 算例研究

2.1 單圓柱繞流

算例1是單圓柱繞流算例。如圖1所示圓柱置于流體區(qū)域中，圓柱的直徑為d，流體的區(qū)域長度為L=30d，寬度為D=15d。流體來流的速度為U∞=1，左側為入口邊界。雷諾數(shù)定義為Re=ρU∞d/v。圖2為圓柱附近計算域的網(wǎng)格劃分的細部刻畫。整個流體區(qū)域共分為38 912個單元。計算采用二維計算。

圖3所示為雷諾數(shù)Re=40時刻的速度流線圖。清晰可見在圓柱后方形成一對對稱結構的速度漩渦，這是在Re=40的結果下的典型特征。表1對比了不同組網(wǎng)格密度下的不同單元組(S1-S8)的平均阻力系數(shù)Cd的值，單元數(shù)從S1組中的2 384增長到S8組的442 908，而平均阻力系數(shù)也逐漸的趨近于1.606。網(wǎng)格越密，精確度越高。因此通過以上計算可知，在Re=40下單圓柱繞流的平均阻力系數(shù)為1.606左右。也通過以上算例揭示計算程序的正確性。

圖1 單圓柱繞流算例示意

圖2 網(wǎng)格劃分

圖3 Re=40時的圓柱尾流流線

Simulation NumberNO. Of ElementCds12 3841.430s29 7281.586s321 7441.595s438 9121.601s587 5521.602s6136 6201.602s7196 5601.602s8442 9081.606

2.2 單圓柱豎向渦激振動

算例2是單圓柱豎向渦激振動算例。是在圖1算例的基礎上將流體域擴展到三維，允許圓柱在豎向進行運動。這樣圓柱在來流流體的作用下發(fā)生豎向渦激振動。折合速度為3，折合質量比為6。雷諾數(shù)為Re=42 000，同時由于是湍流，所以采用了三種湍流模型進行計算。這三種湍流模型是k-ε模型、Spalart-Allmaras模型和SST k-ω模型。

圖4所示為圓柱的升力系數(shù)時程曲線，分別采用這三種湍流模型計算。對比發(fā)現(xiàn)圓柱的升力系數(shù)曲線的范圍在-0.2～0.2之間，并出現(xiàn)較均勻的周期性結果。比較三種湍流模型，發(fā)現(xiàn)其結果均比較接近。需要指出的是，湍流模型能得到近似的結果，因此需要多湍流模型進行對比計算，從而獲得較合理的結果。

圖4 Re=42 000采用三種不同湍流模型得到的圓柱升力系數(shù)曲線時程

圖5為圓柱三維渦激振動的瞬態(tài)形狀以及不同截面下的尾流模式。可以看到，在這些參數(shù)下，圓柱由于流體的作用會發(fā)生彎曲，同時不同圓柱截面未知形成的尾流流態(tài)是不一樣的。因此渦激振動是個非常復雜的問題，需要具體問題具體分析。

圖5 圓柱振動形狀以及不同截面的尾流模式

3 結論

利用ANSYS-CFX商業(yè)軟件研究了雷諾數(shù)Re=40下的單圓柱繞流現(xiàn)象以及Re=42 000下采用三種不用湍流模型研究了單圓柱的豎向渦激振動現(xiàn)象，得出結論如下：

(1)ANSYS-CFX可有效計算低雷諾數(shù)下的圓柱繞流問題。

(2)ANSYS-CFX下課利用多湍流模型共同研究圓柱的渦激振動現(xiàn)象。計算結果可為工程提供指導和參考。

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