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《二維圓柱層流繞流及其控制數(shù)值模擬》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。
1、第9卷第5期2009年3月科學技術(shù)與工程Vol19No15Mar.2009167121819(2009)521187207ScienceTechnologyandEngineeringZ2009Sci1Tech1Engng1二維圓柱層流繞流及其控制數(shù)值模擬1張群峰何鴻濤呂志詠(北京交通大學土建學院,北京100024;北京航空航天大學流體力學研究所1,北京100083)摘要采用有限體積法求解二維N2S方程,通過改變時間、空間計算參數(shù),對雷諾數(shù)100的二維圓柱非定常流場進行了數(shù)值模擬,將所得結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)以及已有的計算結(jié)果進行了對比。并對在尾部多個位置加
2、入不同長度阻隔板控制流動的圓柱流場進行了考察。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在合適的位置放置阻隔板,可以有效抑制尾跡中渦脫落的形成。關(guān)鍵詞CFL數(shù)斯特勞哈數(shù)圓柱繞流渦脫落控制中圖法分類號V211.3;文獻標志碼A研究圓柱繞流流場,并且使用合適的方法控驗值相比較,分析求解的空間步長和時間步長對于制流動中的不利因素,減小繞流中的損失,具有很該狀態(tài)下流動求解的影響。高的工程應(yīng)用價值。眾多研究人員通過理論分析、實驗研究以及數(shù)值模擬,對圓柱繞流及其流動1圓柱繞流研究控制做了大量的深入研究,取得了不少的成果。然而,目前對于圓柱繞流所包含的物理本質(zhì)理解眾所周知,影響圓柱繞流的關(guān)鍵因素
3、是雷諾數(shù)仍然是不完整的。本文研究了低雷諾數(shù)下的圓柱Re。隨著Re數(shù)的增加,圓柱繞流將呈現(xiàn)不同的流動繞流以及通過阻隔板控制流動的方法,結(jié)果發(fā)現(xiàn)狀態(tài):在合適的位置放置阻隔板,可以有效地抑制尾部當Ren1時,流動緩慢,可以稱其為蠕動流,此渦脫落的形成。時的圓柱繞流與很低雷諾數(shù)下的球體繞流相似,流隨著計算機和數(shù)值方法的不斷發(fā)展,通過計算動圖畫上游和下游對稱;Re<5時,流動依然附體,機數(shù)值模擬圓柱繞流現(xiàn)象,得到準確的數(shù)值解已經(jīng)沒有出現(xiàn)分離;而當Re數(shù)提高到略大于5(有些文變?yōu)楝F(xiàn)實。然而,由于數(shù)值方法所引入的截斷誤差獻中認為是4)時,流動發(fā)生分離,在圓柱體尾部
4、形和計算機的字長有限引入的舍入誤差,使得計算得成一對穩(wěn)定的滯留渦,上下對稱,隨著雷諾數(shù)的繼到的數(shù)值解與精確解存在一定的誤差。為了能夠續(xù)增大,這對滯留渦發(fā)展得越來越大;對于40≤得到最好的計算結(jié)果,在數(shù)值計算中應(yīng)該盡量減小Re<150,在圓柱尾跡中開始出現(xiàn)旋渦脫落,逐步形這種誤差。因此,本文研究的另一個目的就是考察成穩(wěn)定的層流渦街,斯特勞哈數(shù)Sr的規(guī)律近似等于在雷諾數(shù)Re=100的二維圓柱繞流數(shù)值模擬中,空Sr=0.212(1-21.2/Re),此時的附面層的分離屬于間和時間計算參數(shù)對于減小計算誤差的作用。本層流分離,從前駐點量起的分離點位置為θ≈文采
5、用有限體積法數(shù)值求解二維N2S方程,改變網(wǎng)±80°;當150≤Re<300,層流渦開始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞲駭?shù)目以及時間步長,對雷諾數(shù)Re=100的圓柱繞渦,附面層仍是層流分離,Sr=0.16～0.20;當300≤5流非定常流場進行了數(shù)值求解,將得到的結(jié)果與實Re≤3×10,稱為亞臨界區(qū),此時,附面層仍為層流分離,而尾跡已經(jīng)變成湍流渦街,Sr≈0.2;在3×2008年11月21日收到5610≤Re<3.5×10,稱為過渡區(qū),流動經(jīng)歷了臨界區(qū)和超臨界區(qū),附面層分離已從層流分離轉(zhuǎn)變?yōu)橥?188科學技術(shù)與工程9卷流分離(θ≈±110°),旋渦脫落由規(guī)則變成不規(guī)則,網(wǎng)
6、格,網(wǎng)格外形圖如圖1所示。流動現(xiàn)象呈現(xiàn)出隨機性;進一步提高雷諾數(shù),達到6Re≥3.5×10,此時進入過臨界區(qū),湍流渦街重新建立,尾跡又呈現(xiàn)出周期性特征。對于圓柱繞流的數(shù)值研究,通常用斯特勞哈數(shù)描述非定常尾跡的主要流動特征、用阻力和升力系數(shù)描述近壁面流動的流動特征。本文在對流場結(jié)果分析時也將使用這三個變量來考察流場的流動情況。2數(shù)值方法因為本文主要求解雷諾數(shù)Re=100時的圓柱繞流情況,該雷諾數(shù)狀態(tài)下的圓柱繞流為層流繞流,需要求解二維非定常不可壓的N2S方程組:5u5v+=05x5y225u5u5u5p5u5uρ+ρu+ρv=-+μ2+2(1)5t5x
7、5y5x5x5y225v5v5v5p5v5vρ+ρu+ρv=-+μ2+25t5x5y5y5x5y本文采用有限體積法對上述微分方程進行離散,然后用SIMPLE算法對離散方程進行求解,計算中時間推進采用二階隱式格式,空間離散采用三階圖1計算網(wǎng)格精度的QUICK格式。數(shù)值計算的邊界條件:入口為速度入口,出口3網(wǎng)格劃分及模擬工況是壓力出口,頂部和底部邊界為對稱面邊界條件,圓柱及阻隔板表面均為壁面無滑移條件。3.1計算網(wǎng)格3.2模擬工況[1]根據(jù)Tritton的實驗模型,考慮到計算精度,取對于Re=100的圓柱繞流流場,本文對網(wǎng)格數(shù)直徑D=1.125cm的圓柱
8、作為計算模型。流動介質(zhì)為16630、47600、94710和時間步長為0.0005、3為空氣,密度ρ=1.2
