多圓柱繞流問題的數值模擬

王玉玨,魯　麗

(西南交通大學 力學與工程學院，成都　610031)

?

多圓柱繞流問題的數值模擬

王玉玨,魯麗

(西南交通大學 力學與工程學院，成都610031)

摘要：基于非定常不可壓縮黏性流動的N-S方程，利用計算流體力學Fluent軟件對圓柱繞流問題進行了數值計算，分析多圓柱不同間距比(兩圓柱圓心間的距離與圓柱直徑的比值)時產生不同的尾流特征現象。選取間距比為可變參數進行數值模擬。數值計算結果表明：圓柱尾部卡門渦街生成和脫落的流動特征很大程度上取決于間距比的大小，且間距存在臨界值。

關鍵詞：Fluent; 多圓柱繞流; 渦脫落; 數值模擬

一直以來，圓柱繞流問題是流場分析中一個非常經典的問題。當流體流過非流線型物體時，在特定的條件下，流體尾流左右兩側出現成對的、交替出現的、方向相反的漩渦，這個現象因由著名空氣動力學家西奧多·馮·卡門從理論上闡明而得名卡門渦街。

已有很多文獻和資料涉及圓柱繞流的物理實驗和數值模擬。多柱體靜止繞流問題的數值模擬研究主要針對低雷諾數的情況。與單圓柱繞流相比,多圓柱繞流由于柱與柱之間的相互影響以及排布方式的不同,其流動情況要復雜得多。Zdravkovich[1]等對雙圓柱串列和交錯放置的繞流問題進行實驗研究，結果表明：在各種圓柱排列方式下都存在一個臨界間距，超過此間距，漩渦脫落頻率、壓強系數、升力和阻力系數都會發生較大變化；在此間距處，會有兩種不同的流態，稱為“雙穩態“現象。Meneghini等[2]對雙圓柱靜止繞流現象進行了數值計算，觀察到串列雙圓柱在不同間距比條件下出現不同的流動現象。通過速度云圖、流線圖分析了上下游圓柱的漩渦脫落特征，得出臨界間距在3D左右。

在機械、石化、核電、熱交換器裝置及海洋工程等諸多領域，交替性的渦脫落導致在垂直于來流方向上產生劇烈振蕩的升力,從而會帶來結構振動及噪聲，甚至導致失效。所以，這類問題已成為基礎研究和工程領域中重要的課題之一。

本文采用二維層流模型和結構化網格，結合有限體積法對不同間距比下的柱群產生渦脫落現象進行分析，模擬低雷諾數下卡門渦街的產生、發展和脫落的演化過程[3-9]。

1基本方程

不可壓縮黏性流體的運動在笛卡兒坐標系下可用Navier-Stokes(N-S)方程組來描述：

(1)

其中：t為時間；ρ為密度；p為壓強；υ為運動黏性系數；xj，uj分別為j方向上的坐標和速度。

2計算區域與計算網格

圖1　多圓柱仿真計算模型

圖2　結構網格

3計算結果分析

如圖3～10所示。在雷諾數情況下，當L/D=2時，上游圓柱的分離剪切層非常明顯,并附著在下游圓柱上,渦脫落現象只在下游圓柱出現。當2.5

圖5　L/D=3

圖6　L/D=3.25

圖7　L/D=3.5

圖8　L/D=3.625

圖9　L/D=3.75

圖10　L/D=4

圖11　L/D=2，L/D=4時的升力

參考文獻：

[1]ZDRAVKOVICH M M.Review of flow interference between two circular cylinders in various arrangements[J].ASME Journal of Fluids Engineering,1977,99:618-633.

[2]MENEGHINI J R，SALARA F,SIQUEIRA C L R，et al.Numerical simulation of flow interference between two circular cylinders in tandem and side-by-side arrangement[J].Journal of Fluids and Structures,2001(15):327-350.

[3]劉松,符松.串列雙圓柱繞流問題的數值模擬[J].計算力學學報,2000,17(3):260-266.

[4]鄭庭輝,費寶玲,楊駿六,等.串列雙圓柱尾跡流的數值分析[J].西南交通大學學報， 2008(6)：747-751.

[5]高洋洋.多柱體系統靜止繞流與渦激振動的試驗及數值研究[D].青島：中國海洋大學，2011.

[6]JESTERW,KALLINDERIS Y.Numericalstudyofincompressibleflowaboutfixedcylinderpairs[J].JournalofFluidsandStructures,2003,17(4):561-577.

[7]CARMOBS,MENEGHINIJ R.Numericalinvestigationoftheflowaroundtwocircularcylindersintandem[J].Journalof Fluidsand Structures,2006,22(6/7):979-988.

[8]KONDON,MATSUKUMAD.Numericalsimulationforflowaroundtwocircularcylindersintandem[J].International Journal of Computational Fluid Dynamics,2005,19(4):277-288.

[9]PAPAIOANNOUG,YUE D P.Three-dimensionality effects in flow around two tandem cylinders[J].Journal of Fluid Mechanics,2006,558(7):387-413.

(責任編輯劉舸)

Numerical Simulation of Flow Around Multi-Circular Cylinder

WANG Yu-jue, LU Li

(School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China)

Abstract:Based on the incompressible Navier-Stokes equation, the flowing problem about flow around multi-circular Cylinder was numerically simulated by Fluent software to analyze different spacing ratio among multi-circular cylinder’s (ratio of the distance between the two cylindrical center and cylinder diameter) producing of different wake flow characteristic phenomena. We choose spacing ratio as a variable parameter for numerical simulation. The result of numerical simulation show: flow characteristics of the generation and fall off of cylindrical tail karman vortex street depends strongly on the distance between the cylinder and the space has critical value.

Key words:Fluent; flow around multi-circular cylinder; vortex shedding; numerical simulation

文章編號：1674-8425(2016)02-0037-04

中圖分類號：TV131

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.007

作者簡介：王玉玨(1990—)，女，湖北人，碩士研究生，主要從事力學方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11102170， 11372258)

收稿日期：2015-08-26

引用格式：王玉玨,魯麗.多圓柱繞流問題的數值模擬[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(2):37-40.

Citation format：WANG Yu-jue, LU Li.Numerical Simulation of Flow Around Multi-Circular Cylinder[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):37-40.