基于CFE的圓柱繞流流場特性分析

蘇立國，顧繼俊，段夢蘭，郭中云，邱 盼，張 杰

基于CFE的圓柱繞流流場特性分析

蘇立國，顧繼俊，段夢蘭，郭中云，邱 盼，張 杰

（中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）

流體流經非流線型結構物時會發生渦旋脫落現象。利用CFD分析軟件模擬研究了單根附屬桿在不同位置對圓柱繞流流場特性的影響。結果表明：不同位置的附屬桿對圓柱繞流流場影響方式不同，附屬桿相對位置與來流方向之間的角度為0°、90°和180°時，對圓柱繞流流場的影響分別為引導來流分流、影響分離點和控制尾流。

附屬桿；圓柱繞流；流場；數值模擬

圓柱繞流是流體力學的經典問題之一，廣泛存在于航空航天、水利建筑、海洋鉆井等科學研究和工程實踐領域［1］。如圖1所示，當流體流經1個非流線型圓柱體的前緣時，流體在圓柱體前端面的阻礙作用下自然分流，并在圓柱體最寬截面處發生流固的分離，形成剪切層。剪切層的最內層比最外層流動慢，就會傾向于生成不連續的打旋的渦，從而在尾流中形成旋渦［2］。圓柱繞流周期性的渦旋脫落可能會引發渦激振動現象，對工程實踐產生重大的破壞作用，因此越來越多的學者重視圓柱繞流渦旋生成與脫落問題研究［3-4］。附屬桿是影響圓柱繞流渦旋脫落的主要措施之一，大量學者也對附屬桿的抑制效果做了相關研究［5-6］，但針對附屬桿對渦旋脫落影響機理的研究卻很少。本文利用CFX分析軟件模擬研究了不同位置的附屬桿對圓柱繞流漩渦生成與脫落的影響機理，得到不同位置的附屬桿對漩渦影響不同的結論。

圖1　圓柱繞流示意

1 數學模型建立

為了研究不同位置處附屬桿對圓柱繞流流場特性影響，參考前期學者數值模擬圓柱繞流問題的相關經驗［5-9］，建立了如圖2所示的三維模型，具體參數如下：

流體域尺寸0．4 m×0．2 m×0．1 m

圓柱體尺寸D＝0．02 m，h＝0．1 m

附屬桿尺寸d＝0．2D＝0．004 m，h＝0．1 m

附屬桿位置直徑Df＝1．75D＝0．035 m

流體流速u＝0．03 m／s

根據研究需要，設立4組模擬試驗方案。如圖3所示，附屬桿與圓柱體相對距離位置不變，改變附屬桿與來流方向的相對角度β，分別設置無附屬桿、β＝0°、β＝90°和β＝180°4種方案（如表1），對比附屬桿件位于不同位置處對圓柱繞流流場特性影響情況。

圖2　圓柱繞流模擬三維模型

圖3　附屬桿與圓柱體相對位置

表1　試驗方案設置情況

2 模擬結果與分析

2．1 升力曳力系數

流體流經圓柱體后會對圓柱體作用1個周期性的升力和曳力，一般情況用升力與曳力系數來表示，升力和曳力系數是由圓柱體結構和流場性質共同決定的，定義如下［5］

式中：CL為升力系數；CD為曳力系數；FL為升力；FD為曳力；ρ為流體密度；u為來流速度；d為單位長度圓柱的迎流面積。

圖4為圓柱繞流模擬的4組模型試驗升力、曳力系數變化情況，可以發現升力、曳力系數變化比較明顯，其中升力系數最大情況出現在無附屬桿試驗中，而曳力系數最大情況出現在附屬桿角度為90°試驗中（如圖4）。

圖4　不同位置拖曳力系數

分析升力、曳力系數定義公式可以發現：4組試驗中流體密度和來流流速都沒有發生變化，可視為常量；模型試驗1、2、4三組試驗中，單位長度圓柱的迎流面積也沒有變化，然而3組試驗的升力和曳力系數卻變化明顯，說明模型試驗中圓柱體受到的升力和曳力發生了變化。升力和曳力是通過流體對圓柱體表面的壓力與應力沿圓柱體表面積分得到的，所以升力和曳力變化的根本是流體流場結構的變化引起圓柱體表面壓力與應力的變化，這一問題可以通過流體流場壓力分布與流速分布來解釋。

2．2 壓力分布

流體流經圓柱體后會形成壓力不相等的區域，根據相對于圓柱體的位置將其分為前端壓力區、兩側壓力區和背壓區。4組試驗方案數值模擬結果壓力分布如圖5所示，4組試驗中圓柱體前端壓力區的變化情況與曳力系數變化趨勢相符合，說明流場壓力變化與曳力系數的變化有一定的聯系。

圖5　不同位置情況壓力云圖

由圖5可以看出：在沒有附屬桿情況下，圓柱體前端受到來流沖擊力的作用，壓力最大，圓柱體兩側壓力逐漸降低，圓柱體背壓區壓力最小；當附屬桿位于β＝0°位置時，與圖5a對比可以發現，由于附屬桿的存在，水流在沖擊到圓柱體前端面之前，流場結構被附屬桿破壞，減小了水流對圓柱體的沖擊，使圓柱體前端面水流沖擊壓力降低，而兩側壓力區和背壓區壓力基本未變；當附屬桿位于β＝90°位置時，圓柱體前端壓力與圖5a相似，但高壓區位置有偏置趨勢，同時背壓區向附屬桿另一側偏移，說明附屬桿的存在影響了圓柱體兩側及后端流場的結構，同時增加了整體的阻流面積，與β＝0°相比高壓力明顯增大；當附屬桿位于β＝180°位置時，與圖5a相比，圓柱體前端壓力分布和整體壓力分布基本一致，但是背壓低壓區明顯擴大，說明附屬桿的存在影響了圓柱體后側流場性質。

綜上分析，增加附屬桿之后圓柱繞流壓力區域分布改變明顯，而且附屬桿位于不同位置處對壓力區域分布影響不同。位于前端時，主要影響圓柱體前端壓力分布；位于側方時，側后方壓力影響明顯；位于后方時，則對背壓區影響最大。

2．3 流速矢量

4組試驗方案數值模擬結果流速矢量如圖6所示。

圖6　不同位置情況流速矢量圖

在沒有附屬桿的干擾下（如圖6a），流體流經圓柱體發生分流，水流沿著圓柱體兩側面流動并分離，在圓柱體后側可以發現回流現象，并有明顯的成對漩渦生成，符合圓柱繞流現象。

圖6b中，由于圓柱體前端附屬桿的存在，在附屬桿與圓柱體之間形成1個穩定的漩渦，使附屬桿和圓柱體前半部分形成1個三角形導流部分，引導水流自然分流，避免直接沖擊圓柱體前端面，這也解釋了圖5b中壓力云圖分布現象，同時在圓柱體后方不再有明顯的成對漩渦生成，說明附屬桿破壞了來流的流場結構，引導流體自然分流，減弱了流體與圓柱體表面分離引起的漩渦現象。

由圖6c可以看出：圓柱體前端流速矢量情況與無附屬桿情況相似，但有附屬桿一側卻有明顯的不同，附屬桿兩側流速增大，同時在圓柱體后面只有單側漩渦生成，說明由于附屬桿的存在，增加了附屬桿一側圓柱繞流流體的速度，抑制了流體與圓柱體表面的分離，進而實現了控制漩渦生成的作用。

由圖6d可以看出：β＝180°時流速矢量圖與壓力云圖類似，圓柱體前端沒有明顯變化，但是后側卻變化明顯；附屬桿與圓柱體之間形成1個穩定的小漩渦，使圓柱體和附屬桿形成1個倒三角形結構，引導流體順利流經圓柱體后平穩匯流，控制圓柱繞流尾流的流向，此時附屬桿作用類似于整流罩結構，抑制原理為破壞尾流。

綜上分析，附屬桿的存在干擾了圓柱繞流流場的特性，但是不同位置處影響不同：附屬桿位于圓柱體前端起引導流體自然分流的作用；附屬桿位于側方起抑制流體分離的作用；附屬桿位于圓柱體后端則是起引導圓柱繞流尾流自然匯流的作用。

3 結論

1)附屬桿位于β＝0°位置時，主要起到了干擾來流流場結構，引導流體自然分流的作用，從而抑制渦旋的生成。

2)附屬桿位于β＝90°位置時，附屬桿的存在增加了圓柱體一側流體的流速，迫使分離點后移，抑制了剪切層的分離，也實現了抑制漩渦的生成。

3)附屬桿位于β＝180°位置時，對圓柱體前端來流流場結構基本沒有影響，但在圓柱體后側形成了1個倒三角形的導流區域，引導圓柱繞流尾流的匯流，控制了尾流流向，從而抑制了漩渦的脫落。

［1］涂程旭，王昊利，林建忠．圓柱繞流的流場特性及渦脫落規律研究［J］．中國計量學院學報，2008，19（2）：99-102．

［2］丁代偉．圓柱繞流及渦激振動的二維數值模擬［D］．天津：天津大學，2010．

［3］李壽英，顧明．斜、直圓柱繞流的CFD模擬［J］．空氣動力學學報，2005，23（2）：222-227．

［4］謝杰，許勁松，郁程．圓柱繞流的流動分離控制［J］．哈爾濱工程大學學報，2001．35（10）：401-406．

［5］盛磊祥，陳國明．海洋并列立管渦激振動參數分析［J］．石油礦場機械，2011，40（3）：5-8．

［6］時米波，陳國明，孫友義．基于管土耦合模型的海底管道管跨渦激振動分析［J］．石油礦場機械，2007，36 （10）：5-8．

［7］Morse T L，Williamson C HK．Fluid forcing，wake modes，and transitions for a cylinder undergoing controlled oscillations［J］．Journal of Fluids and Structures，2009（25）：697-712．

［8］王亞玲，劉應中，繆國平．圓柱繞流的三維數值模擬［J］．上海交通大學學報，2001，35（10）：1464-1469．

［9］徐楓，歐進萍．正三角形排列三圓柱繞流與渦致振動數值模擬［J］．空氣動力學學報，2010，28（5）：582-588．

Flow Field Characteristics Analysis of Flow around a Cylinder with CFE

SU Liguo，GU Jijun，DUANMenglan，GUO Zhongyun，QIU Pan，ZHANG Jie
（Cffshore Cil&Gas Research Center，China Uniuersity of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

The vortex shedding phenomenon will happen when fluid flowing through the non-streamlined structure．The influence of the vortex shedding characteristics around the cylinder structure is analyzed when the single attached rod at different positions by numerical simulation of CFD software．The results show that the single attached rod effect the vortex shedding in the flow around a cylinder have different ways with different position，and when the angle between the relativeposition of attached rod and the flow direction is 0°，90°and 180°，the way of attached rod effect the vortex shedding is that：lead to the flow diversion，affect the separation point and control the flow wake．

affiliated rods；flow around a cylinder；flow field；numerical simulation

TE951

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．002

1001-3482（2015）04-0005-04

2014-10-28

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）課題“深海柔性結構的非線性流固耦合振動與破壞機理研究”（2011CB013702）；國家自然科學基金課題“基于廣義積分變換法的深水立管渦激振動預報模型研究”（51409259）

蘇立國（1987-），男，河北承德人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備設計及海洋結構物的動力學響應研究，E-mail：vivofcup＠163．com。