基于混合網格的橢圓柱繞流氣動力干擾效應分析

摘要：采用ICEM軟件，基于結構化網格與非結構化網格的混合網格，運用FLUENT平臺，對特征參數為α=90°、AR=0.25單橢圓柱進行氣動力干擾效應研究，并將模擬的結果與文獻及全結構化網格進行對比分析。結果表明，混合網格相較于結構化網格的數值模擬結果與文獻相比偏差稍大，但均在理論結果范圍內，因此可應用于計算當中，并可作為不同入流攻角下多橢圓柱繞流提供一種網格劃分方法。

關鍵詞：橢圓柱； 氣動干擾； 升阻力系數； 斯托羅哈數； 網格劃分

中圖分類號：V211文獻標志碼：A

0引言

風是由空氣流動而引起的自然現象，由同一水平面上受熱輻射不均勻所形成的水平氣壓梯度力所產生的。由于空氣動力產生風力，因此研究對空氣動力學的風工程發展具有十分重要的意義。由于大多數工程結構對風表現為鈍體形狀，因此研究鈍體繞流問題具有非常廣泛的實際應用意義。學者們在20世紀初就提出了相關的理論，著名德國物理學家普朗特［1］最早提出“邊界層”理論；20世紀中期馮.卡門［2］對不可壓縮黏性流體提出“卡門渦街”。這些理論為后續鈍體繞流發展奠定堅實的基礎。

橢圓柱作為一種介于圓柱和平板之間的鈍體，深入研究橢圓柱繞流問題，有利于發現鈍體繞流中具有普適性的規律。

1計算模型及網格劃分

本文基于CFD方法，運用fluent平臺，對Re=150下特征參數為α=90°、AR=0.25的單橢圓柱繞流分別用全結構化網格及結構化網格與非結構化網格的混合網格進行數值分析。橢圓柱長軸為0.008 m，短軸為0.002 m。

1.1全結構化網格劃分及計算參數

流場尺寸如圖1所示，采用的橢圓柱特征長度D=0.008 m，為避免橫向邊界效應，計算區域上下對稱邊界與橢圓柱中心的距離為50D。上游距離為50D，并采用大的下游距離100D以有足夠距離來捕獲尾流演變。本文中使用的上下游距離足夠長，避免了邊界對結果的影響，也保證了計算精度。

采用層流Laminar模型，使用Fluent軟件求解不可壓縮牛頓流體方程和N-S方程。整個計算區域生成結構四邊形網格并在在橢圓柱中心附近的10D×10D的正方形區域中生成細網格見圖2（a）。第一格距離橢圓柱表面0.000 2 m，并且沿徑向以1.02的膨脹比拉伸，在橢圓柱體外圍方向的網格沿展項以一定增長率擴散，形成的網格如圖2所示。

流場左側邊界設置為速度入口，右側邊界設置為壓力出口，上下側設置為對稱邊界，橢圓柱表面設置為不滑移邊界條件。當雷諾數150

U=Re·μρD（1）

式中：μ為動力粘度，取值為1.7894×10-5 Pa·s；ρ為流體密度，取值為1.225 kg/m3；D為橫截面特征長度，取值為0.008 m；Re為雷諾數，本文所取值為150；代入公式求得X方向速度U=0.2739 m/s。

1.2混合網格劃分及計算參數

如圖3所示，混合網格所采用的流場區域尺寸與結構化網格流場尺寸相同，區別在于在單橢圓柱中心附近2.5D×2.5D區域內展開非結構網格，非結構網格整體網格比例為1.0，整體元素種子大小最大元素比例為0.2，采用的非結構化網格類型以四邊形網格為主，并在橢圓柱表面0.0001 m處區域附近加密網格，非結構化網格局部網格數量為16 024，整體網格的數量為35萬～36萬，形成的網格如圖4所示邊界條件及來流速度均與結構化網格設置相同。

2數值模擬結果與分析

圖4、圖5分別為在兩種不同類型網格下單橢圓柱繞流升阻力系數時程圖。可以看出在兩種網格下的升阻力系數均在一定范圍內波動并具有穩定的幅值。混合網格的升阻力系數波動范圍雖然比全結構化網格稍小，但均在理論范圍內。再通過下式得出橢圓柱斯托羅哈數St見式（2）。

St=fVDU（2）

式中：fV為橢圓柱升力頻率；D為橢圓柱特征長度，為0.008 m；U為入流速度，為0.273 9 m/s。

在表1中對混合網格單橢圓柱體混合網格與文獻及上一章結構化網格模擬中的D和St進行了對比。可以看出由于存在非結構化網格，網格計算結果與Shi［4］的偏差和結構化網格相比較稍大，D的計算偏差為5.6%，St的計算偏差為3.6%，但均在可以接受的偏差范圍內，可以應用于計算當中。

3結論

本文采用ICEM軟件，基于結構化網格與非結構化網格的混合網格，運用FLUENT平臺，對特征參數為α=90°、AR=0.25單橢圓柱進行氣動力干擾效應研究，并將模擬的結果與文獻及全結構化網格進行對比分析。結果表明，混合網格相較于結構化網格的數值模擬結果與文獻相比偏差稍大，但均在理論結果范圍內，因此可應用于計算當中，這種網格劃分方法可為研究不同入流攻角下多橢圓柱繞流提供參考。

參考文獻

［1］Prandtl Ludwig S H. Boundary Layer Theory［J］. Verhandlungen des drilten internalionalen Malhematiker-Kongresses， 1904：484-491.

［2］ Karman. Collected work of Theodore von Karman［M］. UK： Butterworths Scientific Publication，1956.

［3］王宇.橢圓柱繞流及氣動干擾效應數值模擬研究［D］. 成都： 西南交通大學，2021.

［4］Shi X， Alam M， Bai H . Wakes of elliptical cylinders at low Reynolds number［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow， 2020， 82：108553-

［作者簡介］劉嘉豪（1998—），男，碩士，研究方向為結構風工程。