圆柱绕流的数值模拟

圆柱绕流的数值模拟

张玉静 20070360204 过控（2）班化工与能源学院

摘要:使用计算流体力学软件FLUENT,模拟均匀来流绕固定圆柱的流动,模拟雷诺数为5，20,40,100时的绕流流动,得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明:当雷诺数增加时,流动表现出一系列不同的构造。当Re=5时，流动不发生分离,其后未形成旋涡，当Re=20,40,100时，流体发生分离，其后形成旋涡，且旋涡随着Re的增大而增大。利用计算流体力学软件FLUENT可以成功地模拟圆柱绕流问题,反映出流动特性。

关键词:圆柱绕流；FLUENT；雷诺数

Abstract:Uniform flow around a mounting cylinder is simulated with the application of FLUENT software while Reynolds number is 5,20,40,100. Stream function and velocity vector distributions are indicated. The results show that a series of construction appears as Reynolds number increases. When Re is 5, Flow separation does not occur, and it does not form vortex . When Re is 20,40,100, Flow separation occurs, and it forms vortex. V ortex increases with the increase of Re. Using computational fluid dynamics software FLUENT can successfully simulate flow around cylindrical, reflect the flow characteristic.

Key words：Flow around a circular cylinder；FLUENT；Reynolds number

1 圆柱绕流理论分析研究的状况

一个世纪以来,圆柱绕流一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟对象。但迄今对该流动现象物理本质的理解仍是不完整的。圆柱绕流中,起决定作用的是雷诺数,但还受到许多因素,如阻塞比,来流湍流度,下游边界条件等的影响。随着雷诺数的增加,粘性不可压缩流体绕圆柱的流动会呈现各种不同的流动状态,在小雷诺数时,流动是定常的,随着雷诺数的增加,圆柱后会出现一对尾涡。当雷诺数较大时,尾流首先失稳,出现周期性的振荡。而后附着涡交替脱落,泻入尾流形成Karman涡街,随着雷诺数的增加,流动变得越来越复杂,最后发展为湍流。White认为圆柱涡流具有经典性的重要意义。

一般认为圆柱绕流有2种定常的流动图案:雷诺数为较小时,圆柱后无尾涡；当雷诺数为较大时,圆柱后有一对对称的尾涡。关于定常流失稳以及出现湍流的

临界雷诺数主要是通过应用流场显示技术观察流动形态得到的,所以不是准确值。对于分界点雷诺数就有不同的见解,Kovasznay,Roshko 等认为定常流动失稳的临界雷诺数大约为40。而从周期性尾流到湍流的详细的转变过程的实验研究似乎还是空白。对均匀来流绕固定圆柱的二维平面流动,国内外许多学者进行过大量的研究。决定圆柱绕流流态的是雷诺数(Re)的值,Re<5时,流动不发生分离, 5

目前,对圆柱绕流的三维数值研究则不多,然而试验表明,即使均匀来流垂直流过等截面的圆柱体,当Re 足够大时,也会呈现三维的流动状态。圆柱绕流属于非定常分离流动问题,在工业工程中的应用非常广泛,数值模拟是研究这类问题的有力工具。但是,控制方程的高度非线性以及边界条件的多样性严重阻碍了这类问题的解决。到目前为止,有限差分、有限元、大涡模拟(LES)、直接数值模拟(DNS)等方法都先后被应用。但是,这些方法都需要增加网格生成的附加工作,尤其是在遇到复杂几何区域时更需要巨大的网格数量,大大影响计算效率。

本文利用N-S 方程,对固定圆柱绕流进行了三维数值模拟,利用计算流体力学软件FLUENT,选取Re=20,40,100,模拟了圆柱周围的流场,得到流场的涡量等值线和速度矢量图。

2 数学模型与数值方法

对不可压缩粘性流体,在直角坐标系下,其运动规律可用N-S 方程来描述,连续性方程和动量方程分别为：

（1）连续性方程

0=??+??+??z

w y v x u （1） 式中，u 、v 、w 表示速度在x 、y 、z 方向上的分量。

（2）动量方程

j i i i i j j i x x u x p f x u u ??+??-=??21)

(νρ （4）

式中，x i （i=1,2,3）为坐标系坐标，x j (j=1,2,3)为坐标系坐标，u i (i=1,2,3)为沿i 方向的速度分量，f i 为沿i 方向的质量力，P 是静压，ρ为空气密度。 3 模型建立与网格划分

一个无穷长直径为2.0m 的圆柱体,放置在无穷远来流速度为1.0m/s 不受干扰的均匀横流中,计算区域如图1所示。网格划分采用四边形网格，网格数为16000。Gambit 中网格划分结果如图2所示。

图1 计算区域

图2 网格划分

4边界条件与求解设置

进口为Velocity-inlet ，出口为Outflow ，其他边界默认为Wall ，计算区

域设为fluid，在gambit中设置界面如图3所示。

图3边界条件置界面图4指定流体区域求解设置如下：

（1）控制方程采用连续方程和动量方程，而不考虑能量方程。

（2）求解器选择COUPLED IMPLICIT SOLVER，选择Steady状态。

（3）为了提高计算精度，差分格式采用二阶迎风格式。

（4）速度场和压力场的求解基于Simple算法，松弛因子默认。

（5）模型选择层流流动。

（6）残差设为e-6。

在fluent中的操作具体如下：

（1）读入从gambit中导出的msh文件，检查网格质量，并确定模型单位，如图5所示。

（2）设置求解器，如图6所示。

（3）选择层流模型，如图7所示。

图5 确定单位

图6 选择求解器

图7 选择层流模型

（4）改变流体介质，如图8所示。

（5）设置入口速度，如图9所示。

（6）设置残差，如图10所示。

（7）初如化流场，进行迭代求解。

图8 改变流体介质

图9 设置入口速度

图10 设置残差

5数值计算与结果讨论

雷诺数由圆柱体直径和自由来流速度确定。通过改变粘度,得到不同的雷诺值(5，20,40,100),Re =ρUD/μ。

边界条件:进口和侧面边界始终为自由来流条件U=1.0m/s,流动出口为零法向梯度出口边界。

流体特性假定为常数,结果见表1。

表1 流体特性

Re=20时的残差曲线如图11所示。

图11 Re=20时计算的残差曲线

(a) Re=5时的速度分布

（b）Re=20时的速度分布

(c) Re=40时的速度分布

(d) Re=100时的速度分布图12不同Re下的速度分布

（a ）Re=5时的流线分布 (b)Re=20时的速度分布

(c) Re=40时的流线分布 (d)Re=100时的流线分布

图13不同Re 下的流线分布 图12为不同Re 下的速度分布，图13为不同Re 下的流线分布，由图12、图13可以看出流体流过圆柱体时，受圆柱体影响，圆柱后面会形成一低速区。当Re=5时，流动不发生分离,其后未形成旋涡，当Re=20,40,100时，流体发生分离，其后形成旋涡，且旋涡随着Re 的增大而增大。

6 结论

本文使用计算流体力学软件FLUENT,模拟均匀来流绕固定圆柱的流动,模拟雷诺数为5，20,40,100时的绕流流动,得到流场的速度分布云图和流线图。计算结果表明:

（1）当雷诺数增加时,流动表现出一系列不同的构造。当Re=5时，流动不发生分离,其后未形成旋涡，当Re=20,40,100时，流体发生分离，其后形成旋涡，且旋涡随着Re 的增大而增大。

（2）利用计算流体力学软件FLUENT可以成功地模拟圆柱绕流问题,反映出流动特性。

参考文献:

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[3]叶春明,吴文权.数值模拟圆柱绕流旋涡生成、分离及演化[J].华东工业大学学报,1995,17(4):25~30.

[4]叶春明,吴文权.数值模拟圆柱绕流旋涡运动及尾流不稳定性分析[J].工程热物理学报,1997,18(2):169~172.

[5]陈斌,郭烈锦,杨晓刚.圆柱绕流的离散涡数值模拟[J].自然科学进展,2002,12(9):964~969.

[6]万德成.用水深平均雷诺方程模拟有限长直立圆柱绕流[J].上海大学学报,1995,1(3):259~268.

LES,DNS,RANS三种模拟模型计算量比较及其原因

LES,DNS,RANS模型计算量比较 摘要：湍流流动是一种非常复杂的流动，数值模拟是研究湍流的主要手段，现有的湍流数值模拟的方法有三种：直接数值模拟（Direct Numerical Simulation: DNS），Reynolds平均方法（Reynolds Average Navier-Stokes: RANS）和大涡模拟(Large Eddy Simulation: LES)。直接数值模拟目前只限于较小Re数的湍流，其结果可以用来探索湍流的一些基本物理机理。RANS方程通过对Navier-Stokes方程进行系综平均得到描述湍流平均量的方程；LES方法通过对Navier-Stokes方程进行低通滤波得到描述湍流大尺度运动的方程，RANS和LES方法的计算量远小于DNS，目前的计算能力均可实现。 关键词：湍流；直接数值模拟；大涡模拟；雷诺平均模型 1 引言 湍流是空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动，这种运动表现出非常复杂的流动状态，是流体力学中有名的难题，其 性。传统计算复杂性主要表现在湍流流动的随机性、有旋性、统计[]1 流体力学中描述湍流的基础是Navier-Stokes（N-S）方程，根据N-S 方程中对湍流处理尺度的不同，湍流数值模拟方法主要分为三种：直接数值模拟（DNS）、雷诺平均方法（RANS）和大涡模拟（LES）。直接数值模拟可以获得湍流场的精确信息，是研究湍流机理的有效手段，但现有的计算资源往往难以满足对高雷诺数流动模拟的需要，从而限制了它的应用范围。雷诺平均方法可以计算高雷诺数的复杂流动，但给出的是平均运动结果，不能反映流场紊动的细节信息。大涡模拟基于湍动能传输机制，直接计算大尺度涡的运动，小尺度涡运动对大尺度涡的影响则通过建立模型体现出来，既可以得到较雷诺平均方法更多的诸如大尺度涡结构和性质等的动态信息，又比直接数值模拟节省计算量，从而得到了越来越广泛的发展和应用。

圆柱绕流阻力实验_实验指导书

1 3.14圆柱绕流阻力实验(压强分布法) 一、实验目的 圆柱绕流实验是研究外流问题和形状阻力的典型实验。通过测量圆柱表面的压强分布，认识实际流体绕圆柱流动时表面压强分布规律，并与理想流体相比较，理解形状阻力产生的原因及测量、计算方法。 二、实验原理 理想流体均流对二维圆柱作无环量绕流时，圆柱表面任一点的速度分量为 V r = 0, V θ= 2V ∞sin θ (1) 式中V ∞为来流速度。圆柱表面任一点的压强p i 与来流压强p ∞的关系满足伯努利方程 p V 2 p V 2 i +θ=∞+∞ (2) ρg 2g ρg 2g 式中ρ为流体密度。以压强系数C P 表达流体压强的分布 C =p i -p ∞ =1-4sin 2θ (3) P 1ρ 2 2 V ∞ 由于压强分布沿圆柱面前后对称，压强合力为零，称为达朗贝尔佯缪。 实际流体绕圆柱流动时，由于粘性得影响压强分布前后不对称；特别是当流动达到一定雷诺数后，粘性边界层在圆柱后部发生分离，形成漩涡。从分离点开始圆柱体后部的压强大致接近分离点压强，不能恢复到前部的压强，破坏了前后压强分布的对称性，形成压差阻力 F D 。由于圆柱表面的摩擦阻力相对于压差阻力小得多，可忽略不计，阻力系数可表为 C D =1 2π C P cos θd θ (4) 2 ρV ∞A 式中A 为圆柱的迎风特征面积，压强系数C P 由（3）式确定。实验中由多管压力计分别测 量p -p 和 ρV 2 i ∞ 2 ∞ p i -p ∞=ρm g (h i -h ∞) (5) 1 ρV 2 =k ρg (h -h ) (6) 2 ∞ m 0 ∞ 式中h i 为测点的静压水头高，h 0 来流的总压水头高，h ∞为来流的静压水头高，ρm 测压计 ? F D =

第三章-数值模拟理论与方法

第三章 数值模拟理论与方法 §3.1 流体力学的基本方程 流体运动所遵循的规律是由物理学三大守恒定律规定的，即质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律[44]。 （一）连续方程 0)(=?+??v t ρρ （3.1） 式中 ρ－流体密度 u －流体速度分量 （二）动量方程（x 方向） 对于不可压流体（即0=?v ） x p f v u v x u x ??-+??=??+??ργρρρ)()()( （3.2） 式中 γ－运动粘性系数 p －压力 对于可压缩流体 ()()()()()x p f v x u u v x u x ??-+???+??=????ργργρρρ 31 （3.3） 式中等号后前两项是粘性力 y ，z 方向上的动量方程可类似推出。 （三）能量方程 ()()()v q T k e v e t ερρ++???=??+?? （3.4） 其中 T C e v = 式中等号左边第一项是瞬变项，第二项是对流项，等号右边第一项是扩散项，第二、三项是源项。 所以，流体力学基本方程组为： ()0=?+??v t ρρ

()x p f u u v f t u x ??-+??=??+??ργρ)( ()()y p f v v v f t v y ??-+??=??+??ργρ （3.5） ()()w p f w w v f t w w ??-+??=??+??ρλρ ()()v q e c k e v f e t v ερ++??? ? ????=??+?? §3.2 紊流模式理论概况 §3.2.1 基本方程 在自然界中，真实的流体都具有粘性。粘性流体存在两种不同的运动方式和流态，即层流和紊流。而在自然界和工农业生产中所遇见的流体流动大部分都是紊流。 三维的N-S 方程是目前描述粘性流体运动较为理想的模型，其优点一是应用范围广，在空气、水流、传热等方面均用N-S 方程描述；二是对于有分离、旋涡等情况的复杂三维流动更为适用。 三维直角坐标下的N-S 方程[45]，[46]，即不可压缩粘性流体的动量方程式为： ?????????????+??+??+??-=??+??+??+??-=??+??+??+??-=)()()(222222222222222222z w y w x w z p F Dt Dw z v y v x v y p F Dt Dv z u y u x u x p F Dt Du z y x μρρμρρ μρρ （3.6） 不可压缩流体的连续性方程为： （3.7） 式（3.6）和（3.7）共有四个未知数（u 、v 、w 、p ）和四个方程，加上边界条件，从理论上来讲其解是存在的。但是，要直接求解复杂而详细的粘性流体运动是十分复杂和困难的。其原因是：直接求解N-S 方程要求求解从反映消散运动的最小涡漩尺度到反映大尺度涡体的所有流动尺度，因而只有对简单情况下才有理论解。 0=??+??+??z w y v x u

圆柱绕流数值模拟

圆柱绕流的数值模拟研究 摘要：选取直径为D=10mm的圆柱及6D×3D的计算区域，利用GAMBIT进行模型的创建模型，对计算区域采用分块网格划分与结构化网格划分相结合的技术进行网格划分。对0.03m/s~1.0m/s的低流速情况下的圆柱绕流进行模拟研究，结果发现在速度达到0.1m/s前圆柱后侧没有出现明显的漩涡，在速度大于0.1m/s后漩涡开始出现，当速度达到0.5m/s时漩涡的范围最大。最后利用FLUENT的网格自适应技术对入口速度为0.5m/s的情况进行了网格加密，发现网格自动加密可以改进网格分布情况，但对计算结果的影响程度有限。 关键词：网格划分；圆柱绕流；涡量；网格自适应 钝体绕流中尤其以圆柱体的绕流问题最为经典和引起人们的注意。圆柱绕流属于非定常分离流动问题，在工业工程中的应用非常广泛。圆柱绕流同时也是一个经典的流体力学问题，流体绕圆柱体流动时，过流断面收缩，流速沿程增加，压强沿程减小，由于黏性力的存在，就会在柱体周围形成附面层的分离，形成圆柱绕流。而由于圆柱的存在，会在圆柱迎水面产生壅水现象，同时也增加了圆柱的受力，使得圆柱绕流问题变得十分复杂。 研究圆柱绕流问题在工程实际中也具有很重要的意义。如在水流对桥梁、海洋钻井平台支柱、海底输运管线、桩基码头等的作用中，风对塔建筑、化工塔设备、高空电缆等的作用中，都有重要的工程应用背景。因此，对圆柱绕流进行深入研究，了解其流动机理和水动力学规律，不仅具有理论意义，还具有明显的社会经济效益。 1数学模型与计算方法 1.1几何模型 结合本文研究目标，取圆柱直径D=10mm，计算区域为6D×3D的矩形区域，如图1所示。上游尺寸1.5D，下游尺寸4.5D。使用GAMBIT建模软件按照图1所示的计算域建立了二维的计算模型。 图1计算区域 1.2网格划分及边界条件设置 为提高模拟精度，计算区域采用分块网格划分与结构化网格划分相结合的技术。计算区域共分两块，尺寸见图1所示。在圆柱区域采用O型结构化网格(图2)，尾流区域采用四边形结构化网格分别划分（图3），使用GAMBIT对两块计算区域进行了网格划分，划分的结果是网格总数为42946个。 对计算区域进行边界条件定义，考虑到流入介质的为空气，同时流速较低，就把介质假定为不可压缩的流体。进而把左侧的入口定义为速度入口即：Velocity-inlet，右侧的出口假定为充分发展的出流，即定义为：Outflow。其余的边界保持默认的壁面边界条件，同时定义为绝热条件，即热流密度为0。

基于谱单元方法的单圆柱绕流特性分析

基于谱单元方法的单圆柱绕流特性分析 基于谱单元方法的单圆柱绕流特性分析 提要: 谱单元方法是一种高效的高精度计算流体动力学数值计算方法，目前被广泛运用于空气动力学的大规模模拟中。本文详细介绍了该数值计算方法好核心思想和编程思路，并实现了其程序开发。最后以单圆柱绕流问题为例验证了其准确性和高效性。模拟结果表明谱单元方法是在科学研究和工程计算中极具发展和应用前景的数值计算工具。 关键词：谱单元、有限元、计算流体动力学、圆柱绕流 中图分类号： O313 文献标识码： A 文章编号： 自从1977年Gottlieb和Orszag[1]系统地从数学方面对谱方法进行了理论的阐述，它与有限差分法及有限元法一起构成了求解偏微分方程的三大方法，被广泛地应用于更多的领域。随着谱方法在各领域的应用和发展，谱方法在理论研究上日趋完善，它开辟了谱方法应用函数分析技术处理复杂问题的道路。1984年，Gottlieb和Hussaini 开始将谱方法向计算流体动力学方面推广[2,3]。到了80年代初期，Patera才结合谱方法的精度和有限元的思想提出所谓的谱单元方法[4]，谱单元方法具有谱方法的高精度和收敛特性，并且还可以像有限元法一样具有很好的几何区域的适应性[5]。 本文研究了谱单元方法插值函数的选取和谱单元的离散过程，给出了离散方程的一般形式，并采用时间分裂格式的谱单元法求解Navier-Stokes方程，以不同雷诺数下单圆柱绕流的数值模拟作为基本算例，验证了谱单元法的高精度和计算效率，计算表明结果令人满意。 一、谱单元离散格式 二、单圆柱绕流计算分析

在研究圆柱流场时常用的几个无量纲化系数：CD（阻力系数）,CL （升力系数）和 St（斯托罗哈数）定义如下： （12） 其中，FD为阻力，与来流方向一致，主要由流体绕圆柱柱表面摩擦阻力以及圆柱前后压力差造成；FL为升力，与来流方向垂直，主要由涡交替从圆柱上下表面脱落产生上下表面压力脉动造成；St 为涡脱落频率，D为圆柱直径。 2.1 计算域和网格划分 考虑直径为D的圆柱受到未经扰动的均匀来流作用，基于圆柱直径和来流流速的雷诺数取Re=200。所选计算域50D×40D，圆柱位于坐标系原点（0,0）。入口边界和出口边界分别位于圆柱中心上游20D 和下游30D处，流域顶部和底部离圆柱中心20D。相应的边界条件如下：进口处自由来流速度为绕流问题特征速度，即ux=U∞，uy=0.0；上下边界条件与进口边界条件相同；出口边界处纵向和横向速度梯度均为0.0，即∂ux/∂x=0.0，∂uy/∂x=0.0；圆柱表面处为不可滑移边界条件，即ux=0.0，uy=0.0。计算域和边界条件如图1所示。 图1 计算域和边界条件示意图 Fig 1 Schematic diagram of the computational domain and boundary conditions 计算域网格划分采用了四边形非结构化谱单元网格，总共划分了354个单元，如图2(a)所示。在靠近圆柱壁面的地方进行了几层非常细的网格加密，离圆柱壁面最近的一层网格厚度为0.1D，如图2(b)所示。同时，在圆柱尾流区域也进行了加密处理。 图2 (a)谱单元网格划分示意图 (b)圆柱附近网格加密示意图 Fig 2 (a) spectral element mesh, 354 elements (b) zoomed-in view of the mesh around the cylinder

大涡模拟

4.6.3大涡模拟LSE 大涡模拟LES 基本思想是：湍流运动是湍流运动是由许多大小不同尺度的涡旋组成，大尺度的涡旋对平均流动影响比较大，各种变量的湍流扩散、热量、质量、动量和能量的交换以及雷诺应力的产生都是通过大尺度涡旋来实现的，而小尺度涡旋主要对耗散起作用，通过耗散脉动来影响各种变量。不同的流场形状和边界条件对大涡旋有较大影响，使它具有明显的各向不均匀性。而小涡旋近似于各向同性，受边界条件的影响小，有较大的共性，因而建立通用的模型比较容易。据此，把湍流中大涡旋(大尺度量)和小涡旋(小尺度量)分开处理，大涡旋通过N-S 方程直接求解，小涡旋通过亚格子尺度模型，建立与大涡旋的关系对其进行模拟，而大小涡旋是通过滤波函数来区分开的。对于大涡旋，LES 方法得到的是其真实结构状态，而对小涡旋虽然采用了亚格子模型，但由于小涡旋具有各向同性的特点，在采用适当的亚格子模式的情况下，LES 结果的准确度很高。 大涡模拟LES 有四个一般的步骤： ①定义一个过滤操作，使速度分解u(x,t)为过滤后的成分(),u x t 和亚网格尺度成分u ’(x,t)，这里要特别指出：过滤操作和Reynolds 分解是两个不同的概念，亚网格尺度SGS 成分u ’(x,t)与Reynolds 分解后的速度脉动值是两个不同的量。过滤后的三维的时间相关的成分()t x u ,表示大尺度的涡旋运动； ②由N-S 方程推导过滤后的速度场进化方程，该方程为一个标准形式，其中包含SGS 应力张量； ③封闭亚网格尺度SGS 应力张量，可采用最简单的涡黏性模型； ④数值求解模化方程，从而获得大尺度流动结构物理量。 （1）过滤操作 LES 方法和一般模式理论不同之处在于对N-S 方程第一步的处理过程不一样。一般模式理论方法是对变量取平均值，LES 方法是通过滤波操作，将变量分成大尺度量和小尺度量。对任一流动变量(),u x t 划分为大尺度量(,)u x t 和小尺度量(),u x t '（亚格尺度）： (,)(,)(,)u x t u x t u x t '=+ 其中大尺度量是通过滤波获得:，过滤操作定义为： ()?-=dr t r x u x r G t x u ),(),(, （4.78） 式中积分遍及整个流动区域，(,)G r x 是空间滤波函数，它决定于小尺度运动的尺寸和结构。 滤波器G 要满足正规化条件 ?=1),(dr x r G （4.79） 亚网格尺度SGS 成分定义为 ),(),(),('t x u t x u t x u -= （4.80） 与Reynolds 分解不同的是，),(t x u 为一个随机的场分布，且 0),('≠t x u

小雷诺数下圆柱绕流数值模拟

第２期（总第２１３期） ２０１９年４月机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２ Ａｐ ｒ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１９）０２－００８７－０ ２小雷诺数下圆柱绕流数值模拟 凌　杰，王　毅 （陆军军事交通学院镇江校区，江苏　镇江　２１２００３ ）摘要：应用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ对小雷诺数（２０≤Ｒｅ≤３００）下的圆柱绕流进行仿真计算，采用有限体积法、层流模型求解不可压缩的Ｎ－Ｓ方程，计算了二维圆柱绕流的水动力学特性。分析尾涡的形态随着雷诺数不断增加的变化情况，并研究升阻力因素、Ｓｔ数及壁面分离角等参数随雷诺数的变化。关键词：圆柱绕流；小雷诺数；层流模型；Ｆｌｕｅｎｔ 中图分类号：ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ａ 收稿日期：２０１８－１０－０８；修订日期：２０１９－０１－３ ０作者简介：凌杰（１９９０－） ，男，江苏镇江人，助教，硕士，研究方向：船舶流体力学性能。０　引言 流体流过钝头体时其绕流及尾流的相互干扰有着广泛的工程应用背景，在日常生活中可以见到的此类例子有烟囱、天线、桥墩、蜂鸣电话的电话线和汽车无线电车载天线在气流中的振动等。近一个世纪以来，圆柱绕流一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟的对象，但迄今对该流动现象物理本质的理解仍是不完整 的［１－ ２］。本文应用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ对小雷诺数（２０≤Ｒ ｅ≤３００）下二维圆柱绕流进行数值模拟，采用有限体积法、分区结构化网格以及层流（Ｌ ａｍｉｎａｒ）模型求解Ｎ－Ｓ方程，模拟不同雷诺数下涡的产生、发展、脱落过程，并探究升阻力等参数的变化情况。１　计算模型１．１　模型及网格划分 在本文的研究目标中，设定圆柱的直径Ｄ＝０．０２ｍ，流体域的计算区域设定为４０Ｄ×２０Ｄ的矩形区域。为了消除边界对流场的影响，流体进口距圆柱中心取１０ Ｄ，流体出口距圆柱中心取３０Ｄ，上、下壁距圆柱中心均为１０Ｄ。 为了提高计算精度，保证收敛速度，对圆柱周围进行局部 加密，该区域大小为１０Ｄ×１０Ｄ［３］ 。计算模型及网格划分 结果如图１所示。 图１　计算模型及网格划分结果 １． ２　数值模拟方法圆柱周围的流场利用Ｆｌｕｅｎｔ求得， 采用有限体积法和ＳＭＰＬＥＣ算法求解非定常流动， 时间离散采用二阶隐式格式，空间离散采用二阶迎风格式。进口边界条件为速度入口，入口速度设置见表１；出口边界条件为自由出口；上、下壁以及圆柱面为固壁边界，即无滑 移、无穿透［４］ 。２　计算结果分析２．１　不同雷诺数下的涡量图和流线图谱 分别在Ｒｅ＝２０、Ｒｅ＝６０、Ｒｅ＝２００三种具有代表性雷诺数下，通过涡量图和流线图来比较它们的流动特性，如图２～图４所示。 表１　入口速度设置 区域 层流区 层流向湍流转变１５０≤Ｒｅ≤３００ 雷诺数２０　 ４０　６０　８０　１００　１５０　２００　２４０　２８０　３００来流速度（ｍ／ｓ ）０．００１　 ０．００２　 ０．００３　 ０．００４　 ０．００５　 ０．００７　５　 ０．０１　 ０．０１２　 ０．０１４　 ０．０１５ 由图２～图４可知： Ｒｅ＝２０时，尾流中有一对稳定的反对称涡，称为弗普尔旋涡，且该尾涡尺寸Ｌ与圆 柱体直径Ｄ之比约为１∶１；当雷诺数增加到６０时， 反向对称漩涡影响区域达到最大，该对漩涡不再保持对 称，一侧漩涡的影响区域超过另一侧，且漩涡中心也同 时远离圆柱；随着雷诺数的继续增加，出现典型的涡的生成、发展、脱落过程，逐渐发展成两排周期性摆动和交错的漩涡。

流体力学Fluent报告——圆柱绕流之欧阳家百创编

亚临界雷诺数下串列双圆柱与方柱绕流的数值模拟 欧阳家百（2021.03.07） 摘要：本文运用Fluent软件中的RNG k-ε模型对亚临界雷诺数下二维串列圆柱和方柱绕流问题进行了数值研究，通过结果对比，分析了雷诺数、柱体形状对柱体绕流阻力、升力以及涡脱频率的影响。一般而言，Re数越大，方柱的阻力越大，圆柱体则不然；而Re越大，两种柱体的升力均越大。相对于圆柱，同种条件下，方柱受到的阻力要大；相反地，方柱涡脱落频率要小。Re越大，串列柱体的Sr数越接近于单圆柱体的Sr数。 关键字：圆柱绕流、升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔数 在工程实践中，如航空、航天、航海、体育运动、风工程及地面交通等广泛的实际领域中，绕流研究在工程实际中具有重大的意义。当流体流过圆柱时 , 由于漩涡脱落，在圆柱体上产生交变作用力。这种作用力引起柱体的振动及材料的疲劳，损坏结构，后果严重。因此，近些年来，众多专家和学者对于圆柱绕流问题进行过细致的研究，特别是圆柱所受阻力、升力和涡脱落以及涡致振动问题。 沈立龙等[1]基于RNG k?ε模型，采用有限体积法研究了亚临界雷诺数下二维圆柱和方柱绕流数值模拟，得到了圆柱和方柱绕

流阻力系数Cd与Strouhal 数随雷诺数的变化规律。姚熊亮等[2]采用计算流体软件CFX中LES模型计算了二维不可压缩均匀流中孤立圆柱及串列双圆柱的水动力特性。使用非结构化网格六面体单元和有限体积法对二维N- S方程进行求解。他们着重研究了高雷诺数时串列双圆柱在不同间距比时的压力分布、阻力、升力及Sr 数随Re数的变化趋势。费宝玲等[3]用FLUENT软件对串列圆柱绕流进行了二维模拟，他们选取间距比L/D(L为两圆柱中心间的距离，D为圆柱直径)2、3、4共3个间距进行了数值分析。计算均在Re = 200 的非定常条件下进行。计算了圆柱的升阻力系数、尾涡脱落频率等描述绕流问题的主要参量，分析了不同间距对圆柱间相互作用和尾流特征的影响。 圆柱绕流的一个重要特征是流动形态取决于雷诺数。Lienhard[4]总结了大量的实验研究结果并给出了圆柱体尾流形态随雷诺数变化的规律。当Re<5时，圆柱上下游的流线呈对称分布,流体并不脱离圆柱体，没有旋涡产生。此时与理想流体相似，若改变流向，上下游流形仍相同。当5

燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟

燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟 徐宝鹏1，曾佑杰1，马宏宇2，赵凯岚2，金戈2 （1.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015） 摘要：燃烧室内的燃油雾化、蒸发以及和空气进行混合过程对燃烧过程有重要影响。提出1种基于大涡模拟的数学模型来模拟燃烧室内燃料喷射、蒸发和混合过程。被空间滤波掉的亚网格尺度涡对大尺度涡的影响由求单方程SGS 湍流模型进行模拟。采用拉格朗日法和蒙特卡洛技术对流场中的喷雾粒子进行采样跟踪，采样喷雾粒子在流场中作为点源项与气相进行质量、动量和能量的双向耦合。提出1个基于SGS 湍流动能的双向耦合模型来模拟SGS 脉动速度对喷雾粒子运动的影响以及喷雾相对SGS 湍流动能的影响。通过对1个同轴模型燃烧室中的喷雾蒸发及混合过程的大涡模拟，将预测结果和试验值进行了比较，预测值和试验值吻合良好，验证了模型的可靠性。 关键词：燃烧室；燃气轮机；大涡模拟；双向耦合；燃油雾化 中图分类号：V211.3文献标识码：A doi ：10.13477/https://www.wendangku.net/doc/9a15899045.html,ki.aeroengine.2014.03.003 Large Eddy Simulation of a Gas Turbine Model Combustor XU Bao-peng 1,ZENG You-jie 1,MA Hong-yu 2,ZHAO Kai-lan 2,JIN Ge 2 (1.School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology,Liaoning Dalian 116024,China;2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China ) Abstract:Fuel atomization,evaporation and mixing with air in gas turbine combustors are vital to the subsequent combustion process.Numerical formulation based on large eddy simulation is proposed to model fuel injection,evaporation and mixing in a gas turbine combustor.The proposed model adopts a one-equation subgrid scale turbulent model to handle the effect of the filtered subgrid scale eddies on the solved large scale eddies.Spray droplets are tracked using both Lagrangian method and Mento Carlo technique,and the sampled spray particles are regarded as point sources to conduct two-way couplings of mass,momentum and energy.The two-way coupling model based on SGS turbulent kinetic energy is used to model the mutual influences between SGS fluctuating velocity and the movement of spray droplets.The proposed models are validated against a large simulation of a co-axial model combustor and the predictions are compared to the experimental data.Good agreements are obtained,which demonstrate the reliability of the proposed models.Key words:combustor ;gas turbine;large eddy simulation;two-way coupling;atomization 航空发动机Aeroengine 第40卷第3期 Vol.40No.3 Jun.2014 收稿日期：2013-08-14基金项目：燃气轮机重大项目联合培育基金（2011LH006）资助 作者简介：徐宝鹏（1969）,男，博士，教授，主要研究方向为计算流体力学、两相流和燃烧学；E-mail:xbp624@https://www.wendangku.net/doc/9a15899045.html, 。引用格式：0引言 试验研究表明，燃油在燃气轮机燃烧室内的雾 化、蒸发及与空气进行混合的过程对直喷或预混燃烧 室中的燃烧过程起至关重要的作用[1-3]。Fric [3]通过试 验研究发现，燃料混合在空间上的不均匀性和时间上 的脉动性对氮氧化物的排放量有显著影响；此外,燃 烧室内的流动状态以及燃油喷雾粒子的大小和速度 分布对燃烧过程同样有重要影响。光学测试和数值模拟是目前研究燃烧室内燃油混合及燃烧过程的2种主要方法。光学测试已被成功应用于燃油喷射及混合过程的研究中[4-6]，但使用数值模拟方法对燃烧前喷雾的分布情况进行理论研究的文献较少，且现有的数值模拟工作大都采用基于雷诺时间平均的RANS 方法。以往的数值研究表明，RANS 方法无法准确预测燃烧室内的回流流动，且其稳态特性也不能准确预测燃料的混合及燃烧过程[7]。大涡模

流体力学Fluent报告——圆柱绕流

流体力学Fluent报告——圆柱绕流

亚临界雷诺数下串列双圆柱与方柱绕流的数值模拟 摘要：本文运用Fluent软件中的RNG k-ε模型对亚临界雷诺数下二维串列圆柱和方柱绕流问题进行了数值研究，通过结果对比，分析了雷诺数、柱体形状对柱体绕流阻力、升力以及涡脱频率的影响。一般而言，Re数越大，方柱的阻力越大，圆柱体则不然；而Re越大，两种柱体的升力均越大。相对于圆柱，同种条件下，方柱受到的阻力要大；相反地，方柱涡脱落频率要小。Re越大，串列柱体的Sr数越接近于单圆柱体的Sr数。 关键字：圆柱绕流、升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔数 在工程实践中，如航空、航天、航海、体育运动、风工程及地面交通等广泛的实际领域中，绕流研究在工程实际中具有重大的意义。当流体流过圆柱时 , 由于漩涡脱落，在圆柱体上产生交变作用力。这种作用力引起柱体的振动及材料的疲劳，损坏结构，后果严重。因此，近些年来，众多专家和学者对于圆柱绕流问题进行过细致的研究，特别是圆柱所受阻力、升力和涡脱落以及涡致振动问题。 沈立龙等[1]基于RNG k?ε模型，采用有限体积法研究了亚临界雷诺数下二维圆柱和方柱绕流数值模拟，得到了圆柱和方柱绕流阻力系数C 与 Strouhal 数 d 随雷诺数的变化规律。姚熊亮等[2]采用计算流体软件CFX中LES模型计算了二维不可压缩均匀流中孤立圆柱及串列双圆柱的水动力特性。使用非结构化网格六面体单元和有限体积法对二维N- S方程进行求解。他们着重研究了高雷诺数时串列双圆柱在不同间距比时的压力分布、阻力、升力及Sr数随Re数的变化趋势。费宝玲等[3]用FLUENT软件对串列圆柱绕流进行了二维模拟，他们选取间距比L/D(L为两圆柱中心间的距离，D为圆柱直径)2、3、4共3个间距进行了数值分析。计算均在 Re = 200 的非定常条件下进行。计算了圆柱的升阻力系数、尾涡脱落频率等描述绕流问题的主要参量，分析了不同间距对圆柱间相互作用和尾流特征的影响。 圆柱绕流的一个重要特征是流动形态取决于雷诺数。Lienhard[4]总结了大量

圆柱绕流的数值模拟

圆柱绕流的数值模拟 张玉静 20070360204 过控（2）班化工与能源学院 摘要:使用计算流体力学软件FLUENT,模拟均匀来流绕固定圆柱的流动,模拟雷诺数为5，20,40,100时的绕流流动,得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明:当雷诺数增加时,流动表现出一系列不同的构造。当Re=5时，流动不发生分离,其后未形成旋涡，当Re=20,40,100时，流体发生分离，其后形成旋涡，且旋涡随着Re的增大而增大。利用计算流体力学软件FLUENT可以成功地模拟圆柱绕流问题,反映出流动特性。 关键词:圆柱绕流；FLUENT；雷诺数 Abstract:Uniform flow around a mounting cylinder is simulated with the application of FLUENT software while Reynolds number is 5,20,40,100. Stream function and velocity vector distributions are indicated. The results show that a series of construction appears as Reynolds number increases. When Re is 5, Flow separation does not occur, and it does not form vortex . When Re is 20,40,100, Flow separation occurs, and it forms vortex. V ortex increases with the increase of Re. Using computational fluid dynamics software FLUENT can successfully simulate flow around cylindrical, reflect the flow characteristic. Key words：Flow around a circular cylinder；FLUENT；Reynolds number 1 圆柱绕流理论分析研究的状况 一个世纪以来,圆柱绕流一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟对象。但迄今对该流动现象物理本质的理解仍是不完整的。圆柱绕流中,起决定作用的是雷诺数,但还受到许多因素,如阻塞比,来流湍流度,下游边界条件等的影响。随着雷诺数的增加,粘性不可压缩流体绕圆柱的流动会呈现各种不同的流动状态,在小雷诺数时,流动是定常的,随着雷诺数的增加,圆柱后会出现一对尾涡。当雷诺数较大时,尾流首先失稳,出现周期性的振荡。而后附着涡交替脱落,泻入尾流形成Karman涡街,随着雷诺数的增加,流动变得越来越复杂,最后发展为湍流。White认为圆柱涡流具有经典性的重要意义。 一般认为圆柱绕流有2种定常的流动图案:雷诺数为较小时,圆柱后无尾涡；当雷诺数为较大时,圆柱后有一对对称的尾涡。关于定常流失稳以及出现湍流的

大涡模拟简单介绍

《粘性流体力学》小论文 题目：浅谈大涡模拟 学生姓名：丁普贤 学生学号：103911018 完成时间：2010/12/16

浅谈大涡模拟 丁普贤 （中南大学,能源科学与工程学院，湖南省长沙市，410083） 摘要：湍流流动是一种非常复杂的流动，数值模拟是研究湍流的主要手段，现有的湍流数值模拟的方法有三种：直接数值模拟、大涡模拟和雷诺平均模型。本文主要是介绍大涡模拟，大涡模拟的思路是：直接数值模拟大尺度紊流运动，而利用亚格子模型模拟小尺度紊流运动对大尺度紊流运动的影响。大涡模拟在计算时间和计算费用方面是优于直接数值模拟的，在信息完整性方面优于雷诺平均模型。本文还介绍了对N-S方程过滤的过滤函数和一些广泛使用的亚格子模型，最后简单对一些大涡模拟的应用进行了阐述。 关键词：计算流体力学；湍流；大涡模拟；亚格子模型

A simple study of Large Eddy Simulation DING Puxian (Central South University, School of Energy Science and Power Engineering, Changsha, Hunan, 410083) Abstract：Turbulent flow is a very complex flow, and numerical simulation is the main means to study it. There are three numerical simulation methods: direct numerical simulation, large eddy simulation,Reynolds averaged Navier-Stokes method. Large eddy simulation (LES) is mainly introduced in this paper. The main idea of LES is that large eddies are resolved directly and the effect of the small eddies on the large eddies is modeled by subgrid scale model. Large eddy simulation calculation in computing time and cost is superior to direct numerical simulation, and obtain more information than Reynolds averaged Navier-Stokes method. The Navier-Stokes equations filtering filter function and some extensive use of the subgrid scale model are simply discussed in this paper. Finally, some simple applications of large eddy simulation are told. Key words：computational fluid dynamics; turbulence; large eddy simulation; subgrid scale model

利用FLUENT 软件模拟圆柱绕流

利用FLUENT软件模拟圆柱绕流 摘要:使用计算流体力学软件FLUENT,模拟均匀来流绕固定圆柱的流动,模拟雷诺数为20 ,40 ,100 时的绕流流动,得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明:当雷诺数增加时,流动表现出一系列不同的构造。在雷诺数约为40 前后流场有明显变化。小于这个数时,存在一对位置固定的旋涡。大于40 时,流场开始变得不稳定,旋涡扩大、脱落、又生成,逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡。并与实验及数值模拟结果比较,确认FLUENT能够很好地预测流动结构。 关键词: 圆柱绕流 FLUENT软件雷诺数 1圆柱绕流理论分析研究的状况 一个世纪以来,圆柱绕流一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟对象。但迄今对该流动现象物理本质的理解仍是不完整的。圆柱绕流中,起决定作用的是雷诺数,但还受到许多因素,如阻塞比,来流湍流度,下游边界条件等的影响。 随着雷诺数的增加,粘性不可压缩流体绕圆柱的流动会呈现各种不同的流动状态,在小雷诺数时,流动是定常的,随着雷诺数的增加,圆柱后会出现一对尾涡。当雷诺数较大时,尾流首先失稳,出现周期性的振荡。而后附着涡交替脱落, 泻入尾流形成Karman 涡街,随着雷诺数的增加,流动变得越来越复杂,最后发展为湍流。White[1]认为“圆柱涡流具有经典性的重要意义”。 一般认为圆柱绕流有2 种定常的流动图案:雷诺数为较小时,圆柱后无尾涡;当雷诺数为较大时,圆柱后有一对对称的尾涡。关于定常流失稳以及出现湍流的临界雷诺数主要是通过应用流场显示技术观察流动形态得到的,所以不是准确值。对于分界点雷诺数就有不同的见解,Kovasznay 、Roshko 等认为定常流动失稳的临界雷诺数大约为40。而从周期性尾流到湍流的详细的转变过程的实验研究似乎还是空白。 对均匀来流绕固定圆柱的二维平面流动,国内外许多学者进行过大量的研究。决 定圆柱绕流流态的是雷诺数(Re)的值, Re5 <时,流动不发生分离,5Re40 <<,在圆柱体后面出现一对位置固定的旋涡; 40Re150 << ,旋涡扩大,然后有一个旋涡开始脱落,接着另一个也脱落,在圆柱体后面又生成新的旋涡,这样逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡,即Karman 涡街。Re150 <,涡街是层流,150Re300 <<,旋涡由层流向湍流转变。 5 300Re310 <

2021年流体力学Fluent报告——圆柱绕流

亚临界雷诺数下串列双圆柱与 方柱绕流的数值模拟 欧阳光明（2021.03.07） 摘要：本文运用Fluent软件中的RNG k-ε模型对亚临界雷诺数下二维串列圆柱和方柱绕流问题进行了数值研究，通过结果对比，分析了雷诺数、柱体形状对柱体绕流阻力、升力以及涡脱频率的影响。一般而言，Re数越大，方柱的阻力越大，圆柱体则不然；而Re越大，两种柱体的升力均越大。相对于圆柱，同种条件下，方柱受到的阻力要大；相反地，方柱涡脱落频率要小。Re越大，串列柱体的Sr数越接近于单圆柱体的Sr数。 关键字：圆柱绕流、升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔数 在工程实践中，如航空、航天、航海、体育运动、风工程及地面交通等广泛的实际领域中，绕流研究在工程实际中具有重大的意义。当流体流过圆柱时, 由于漩涡脱落，在圆柱体上产生交变作用力。这种作用力引起柱体的振动及材料的疲劳，损坏结构，后果严重。因此，近些年来，众多专家和学者对于圆柱绕流问题进行过细致的研究，特别是圆柱所受阻力、升力和涡脱落以及涡致振动问题。 沈立龙等[1]基于RNG k?ε模型，采用有限体积法研究了亚临界雷诺数下二维圆柱和方柱绕流数值模拟，得到了圆柱和方柱绕流

阻力系数Cd与Strouhal 数随雷诺数的变化规律。姚熊亮等[2]采用计算流体软件CFX中LES模型计算了二维不可压缩均匀流中孤立圆柱及串列双圆柱的水动力特性。使用非结构化网格六面体单元和有限体积法对二维N- S方程进行求解。他们着重研究了高雷诺数时串列双圆柱在不同间距比时的压力分布、阻力、升力及Sr数随Re 数的变化趋势。费宝玲等[3]用FLUENT软件对串列圆柱绕流进行了二维模拟，他们选取间距比L/D(L为两圆柱中心间的距离，D为圆柱直径)2、3、4共3个间距进行了数值分析。计算均在Re = 200 的非定常条件下进行。计算了圆柱的升阻力系数、尾涡脱落频率等描述绕流问题的主要参量，分析了不同间距对圆柱间相互作用和尾流特征的影响。 圆柱绕流的一个重要特征是流动形态取决于雷诺数。Lienhard[4]总结了大量的实验研究结果并给出了圆柱体尾流形态随雷诺数变化的规律。当Re<5时，圆柱上下游的流线呈对称分布,流体并不脱离圆柱体，没有旋涡产生。此时与理想流体相似，若改变流向，上下游流形仍相同。当5

气动噪声模型使用指南

ANSYS Fluent气动噪声模型使用指南 ANSYS Fluent气动噪声模型使用指南 (1) 1 ANSYS Fluent的气动噪声模型特点介绍 (1) 1.1C A A（直接模拟模型） (1) 1.2A c o u s t i c A n a l o g y M o d e l i n g（声比拟模型） (2) 1.3B r o a d b a n d（宽频噪声模型） (2) 2 ANSYS Fluent的气动噪声模型设置 (4) 2.1B r o a d b a n d（宽频噪声模型） (4) 2.2F-W-H（声比拟模型） (7) 2.3C A A（直接模拟模型） (16) 3 ANSYS Fluent气动噪声测试案例 (22) 3.1圆柱绕流 (22) 3.2跨音速空腔流动 (26) 3.3跨音速翼型绕流 (31) 1 ANSYS Fluent的气动噪声模型特点介绍 1.1C A A（直接模拟模型） ANSYS Fluent中的CAA方法可以通过求解流体动力学方程直接得到声波的产生和繁殖现象。声波的预测需要控制方程时间精度的解，而且，CAA方法需要ANSYS Fluent通过求解非稳态N-S方程（如DNS）、非稳态雷诺平均RANS方程以及在分离涡DES和大涡LES 模拟中用到的滤波方程，精确模拟粘性效应和湍流效应。 CAA方法需要高精度的数值求解方法、非常精细的网格以及声波非反射边界条件，因此计算代价较高。如果要计算远场噪声（比如几百倍的机翼弦长远处的噪声传播），CAA方法则需要超大规模并行计算支持；但是如果计算近场噪声（比如，机身表面的APU、空穴、微小部件扰动噪声），CAA方法是容易可行的。在大多包含近场噪声的计算中，由于局部压力波动导致的噪声是可以通过ANSYS Fluent准确模拟的。既然CAA方法直接求解声波传播，那么需要求解可压缩的控制方程（如雷诺平均方程、可压缩的LES大涡模拟的滤波方程）。当流动速度较低或亚音速流动时，而且近场中的噪声源主要由局部压力波动构成，则可以使用不可压缩流动。然而，不可压缩流动处理不能模拟回声和声波反射现象。