三種不同網格類型的les大渦模擬評估

唐遠哲

【摘 要】作者對比了Numeca網格、六面體結構網格、三棱柱網格在雷諾數為22000的方柱鈍體LES模擬中的計算結果和計算效率。計算結果顯示， Numeca網格的計算時間略快于另外兩種網格。Numeca網格和三棱柱網格都能得到很好的平均風壓系數、三分力系數的統計值。

【關鍵詞】Numeca;LES;鈍體繞流;結構抗風

中圖分類號： V223 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）02-0071-002

【Abstract】The calculation results and efficiency of Numeca grid， hexahedral structure grid and triangular prism grid in LES simulation of square column with a Reynolds number of 22000 are compared. The results show that the calculation time of Numeca grid is slightly faster than that of the other two grids. Numeca grid and triangular prism grid can get good statistics of average wind pressure coefficient， three-component coefficients.

【Key words】Numeca; LES; Flow around bluff body; Structures under wind

0 引言

在進行數值模擬時候，不同網格的計算效率、計算結算也不同。本文采用NUMECA公司開發的HEXPRESS軟件生成網格。該網格生成的基本思路是在流場中遠離目標建筑的位置，網格從大到小，逐漸分裂。每一個大的長方體分裂成八個等大的長方體（或者不等大的長方體，可自由調節）。靠近目標壁面時通過一定網格畸變，使網格附著于目標。本文基于OpenFOAM軟件，采用LES方法研究numeca網格、結構網格、三棱柱網格的計算效率與計算結果。本文主旨將Numeca網格引入到鈍體繞流，證明了該種網格可以用較短的計算時間得到較好的計算結果，該網格類型提高鈍體繞流和結構抗風領域數值模擬的計算效率。

1 數值計算方法

1.1 控制方程和湍流模型

不可壓縮流體的Navier-Stokes和連續性方程如下所示。從左到右，項依次為瞬態項、對流項、壓力項、粘度項，Navier-Stokes和連續性方程貫穿全文。

2 鈍體繞流

鈍體模型采用三種網格體系進行計算：Numeca非結構網格（Numeca）、結構網格（Structure）、三棱柱非結構網格（Prism）。三種網格體系的計算除了網格體系，其他參數均相同。圖1為計算域，其中鈍體的邊長為d=1。雷諾數為22000。

2.1 邊界條件設置

入流的邊界條件為均勻入流，入流速度為0.3256m/s，滿足雷諾數為22000。出口的邊界條件為對流出流;左右兩個面的邊界條件為對稱;上下兩個平面邊界條件為對稱。

2.2 計算網格

本章節采用3個算例。Case1算例采用numeca網格，網格數為44萬。Case2算例采用Structure網格，網格數為42萬，Case3采用Prism網格，網格數為48萬。圖3為numeca網格體系，其中展向方向（Z方向），網格有80層。方柱表面的第一層網格的厚度，根據公式0.2d/√Re獲得，計算結果為0.00135。

2.3 計算參數

時間步長為0.0025s，空間插值采用LUST，湍流模型為標準Smagorinsky，算法采用pimpleFoam。

2.4 計算結果

三個計算算例都采用24個并行。Case1用時16小時，Case2用時23小時，Case3用時18小時。

總上面的結果可以看出，Numeca網格的計算時間略小于另外兩種網格。對于平均風壓系數，Numeca網格計算結果更好，Prism網格次之，Structure網格結果有較大誤差，這是由于結構網格在空間很難控制網格的疏密，而Numeca可以較好的在空間分配網格數量，將大多數網格產生在對計算結果有較大影響的區域，在壁面附近可以產生比Structure更多而且更均勻的網格。對于阻力系數和升力系數而言，結構網格的結果偏差較大，Numeca和Prism網格計算結果相近。

3 結論

本文在網格數較小的時候，對Numeca網格、結構網格、三棱柱網格進行了LES大渦模擬。通過對雷諾數22000的方柱擾流的les模擬，對比了三種網格的計算結果和計算時間。

（1）Numeca網格由于其網格基本為六面體且平行于流動方向，網格質量好，計算結果略快于另外兩種網格。

（2）Numeca網格和Prism計算得到的平均風壓系數、三分力系數統計值。而結構網格由于其尾流區網格質量較差，以及壁面網格數量較少，結果不是很好。

【參考文獻】

[1]Bearman， P. W.， Obasaju， E. D.， 1982. “An experimental study of pressure fluctuations on fixed and oscillating square-section cylinders”. Journal of Fluid Mechanics， 119， 297-321.

[2]Lee， B. E.， 1975. “The effect of turbulence on the surface pressure field of a square prism”. Journal of Fluid Mechanics， 69（02）， 263-282.