（热能工程专业论文）平行壁面间二维圆柱绕流尾迹演化特性研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n e v o l u t i o no ft w o - - d i m e n s i o n a lc i r c u l a rc y l i n d e rw a k e b e t w e e np a r a l l e lw a l l s a p p l i c a n t ： m a j o r ： s u p e r v i s o r ： s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r a p r i l ，2 0 1 1 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：童佥整日期：立堕l 年上月竺日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：基是整导师签名日期：童型年上月堑日 摘要 摘要 钝体绕流广泛存在于自然界和工业生产之中，一直以来都是工程 流体力学领域的研究热点与难点。由于钝体尾迹流场极为复杂，不少 流动机理尚未完全认识清楚，因此，对钝体绕流开展研究具有重要的 学术价值。同时，对于存在绕流的工业设备，流体还可能诱发钝体产 生振动，使钝体疲劳损伤导致设备故障，所以，研究钝体绕流对提高 现代工业设备长期运行的可靠性与安全性也具有特别重要的现实意 义。 论文以平行壁面间二维圆柱绕流为研究对象，以计算流体力学软 件f l u e n t 为平台，建立了二维圆柱绕流数值模型，采用合适的网 格和算法，模拟了雷诺数小于6 0 0 的平行壁面间二维圆柱尾迹演化特 性，得到了圆柱绕流流态转变的临界雷诺数，分析了阻流比( ) 和 雷诺数( 尺2 ) 对流场参数的影响。 论文得到的主要结论有： ( 1 ) 平行壁面间低雷诺数二维圆柱绕流数值模拟计算的较佳网 格为分块结构化网格，较好算法为s i m p l e c 算法、二阶压力离散格 式和q u i c k 动量方程离散格式的组合。 ( 2 ) 通过对阻流比为0 2 8 的平行壁面间圆柱绕流的模拟，发现 r e 9 时，圆柱后流动无分离；9 弋 r e 7 0 后，尾迹中旋涡开始脱落，形成涡街。 ( 3 ) 计算了o 0 5 o 2 8 的不同圆柱绕流，分析了阻流比对绕 流流场参数的影响。发现0 0 5 0 0 1 时，流态由无涡向双子涡转变 的临界雷诺数相同；o 1 o 2 8 时，流态由无涡向双子涡转变的临 界雷诺数随阻流比而增大。o 0 5 o 2 8 时，流态由双子涡向涡街 转变的临界雷诺数随阻流比而增大。相同雷诺数下，双子涡分离点随 平行壁面间宽度减小而向下游移动，涡长变短。 关键词圆柱绕流，尾迹，平行壁面间，数值模拟，流态转变，临界 雷诺数，阻流比 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t f l o wa r o u n dab l u f f b o d y , e x i s t i n gw i d e l yi nn a t u r ea n di ni n d u s t r i e s ， i so n eo ft h eh o t t e s ta n dm o s td i f j f i c u l t p r o b l e m si nt h e f i e l do f e n g i n e e r i n gf l u i dm e c h a n i c s s o m ef l o wm e c h a n i s m sh a v en o tb e e n t h o r o u g h l ym a d ec l e a rd u et ot h ec o m p l e x i t yo fb l u f fb o d yw a k e ，a n dt h u s i ti so f g r e a ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c et os t u d yt h ef l o wa r o u n dab l u f fb o d y a tt h es a m et i m e ，a sf o ri n d u s t r i a le q u i p m e n t sw i t hf l u i df l o w e da r o u n d ， v i b r a t i o n so ft h eb l u f fb o d ym a yb ec a u s e d i tm a k e sf a t i g u ed a m a g e st o t h eb l u 行b o d yw h i c hm a y b r i n ga b o u te q u i p m e n tf a u l t t h e r e f o r e ，s t u d y o ft h ef l o wa r o u n dab l u f f b o d yh a ss p e c i a ls i g n i f i c a n tr e a l i s t i cm e a n i n g s t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yo fl o n g - t i m er u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c s o f e q u i p m e n t si nm o d e mi n d u s t r i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n t w o d i m e n s i o n a lf l o wa r o u n dac i r c u l a rc y l i n d e r b e t w e e np a r a l l e lw a l l sw a ss t u d i e d ，a n dat w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l m o d e lf o rt h ef l o wa r o u n dac i r c u l a rc y l i n d e rw a sb u i l tb yu s i n gt h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sc o d ef l u 三n t a d o p t i n ga p p r o p r i a t e 酣d s a n da l g o r i t h m s ，t h ew a k ee v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft w o d i m e n s i o n a l f l o wa r o u n dac i r c u l a rc y l i n d e rb e t w e e np a r a l l e lw a l l sw a ss i m u l a t e di n t h ec a s et h a tr e y n o l d sn u m b e ri sl e s st h a n6 0 0 t h ec r i t i c a lr e y n o l d s n u m b e ro ff l o wp a t t e mt r a n s i t i o nw a so b t a i n e d ，a n dt h ei m p a c to ft h e b l o c k a g er a t i o ( 励a n dr e y n o l d sn u m b e r 俾p ) o nt h ef l o wf i e l dp a r a m e t e r s w a sa n a l y z e d t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em u l t i b l o c ks t r u c t u r e dg i r d sa n dt h ec o m b i n a t i o no f s i m p l e c ，s e c o n d o r d e rp r e s s u r ed i s c r e t i z a t i o n ，a n dq u i c ka r ef o u n dt o b em o r ea p p r o p r i a t ef o rt h es i m u l a t i o no ft h et w o d i m e n s i o n a lf l o w a r o u n dc i r c u l a rc y l i n d e ra tl o wr e y n o l d sn u m b e r sb e t w e e np a r a l l e lw a l l s ( 2 ) b ys i m u l a t i n gf l o wa r o u n dc i r c u l a rc y l i n d e rb e t w e e np a r a l l e l w a l l sw i t h o fo 2 8 ，i ti sf o u n dt h a tw h e nr e 9 ，t h e r ei sn os e p a r a t i o ni n t h ef l o wb e h i n dt h ec y l i n d e r ；w h e n9 r e 7 0 t h ev o r t i c e si n l l t h ew a k ef l o wb e g i nt os h e df r o mt h ec i r c u l a rc y l i n d e ra n df o r mv o r t e x s t r e e t ( 3 ) b yc o m p u t i n gf l o wa r o u n dc i r c u l a rc y l i n d e ri nt h er a n g eo fo 0 5 o 2 8 ，a n da n a l y z i n gt h ei m p a c to f f lo nt h ep a r a m e t e ro ff l o wf i e l d ， i ti sf o u n dt h a tw h e n o 0 5 0 1 ，t h ec r i t i c a lr e y n o l d sn u m b e r so ff l o w p a t t e mt r a n s i t i o nr e m a i nt h es a m ef r o mn o n v o r t e xt oap a i ro fv o r t i c e s ； w h e n0 1 o 2 8 ，t h ec r i t i c a lr e y n o l d sn u m b e r si n c r e a s ea s i n c r e a s e s w h e nf l o wp a t t e mt r a n s f o r i l lf r o mn o n v o r t e xt oa p a i ro fv o r t i c e s m o r e o v e r , i nt h er a n g eo fo 0 5 0 2 8 ，t h ec r i t i c a lr e y n o l d sn u m b e r s o ff l o wp a t t e r nt r a n s i t i o nf r o map a i ro fv o r t i c e st ov o r t e xs t r e e ti n c r e a s e s a sbi n c r e a s e s u n d e rt h es a m er e y n o l d sn u m b e r , t h es e p a r a t i o np o i n t so f ap a i ro fv o r t i c e sm o v ed o w n s t r e a ma st h ew i d t hb e t w e e np a r a l l e lw a l l s d e c r e a s e s ，a n dt h ew a k el e n g t hd e c r e a s e s k e yw o r d sf l o wa r o u n dc i r c u l a rc y l i n d e r , w a k e ，b e t w e e np a r a l l e l w a l l s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，f l o wp a t t e r nt r a n s i t i o n ，c r i t i c a lr e y n o l d s n u m b e r , b l o c k a g er a t i o 中南火学硕士学位论文目录 目录 摘里要。i a b s t r a c t 一i i 第一章绪论l 1 1 圆柱绕流及其特性1 1 1 1圆柱绕流旋涡形成和脱落机理1 1 1 2 圆柱表面受力3 1 1 3 基本参数。3 1 2 钝体绕流的研究进展5 1 2 1钝体绕流实验研究进展5 1 2 2 钝体绕流数值模拟研究进展6 1 4 课题研究背景和研究内容9 1 4 1 课题研究背景9 1 4 2 课题研究内容10 第二章平行壁面问圆柱绕流的数值模型l l 2 1 数值模型1 1 2 1 1 控制方程1 l 2 1 2 计算区域的确定1 1 2 1 3 初始条件和边界条件1 2 2 1 4 计算模型15 2 1 5 计算区域的离散化1 6 2 2 斯特劳哈尔数的选择1 6 2 3 算法选择1 7 2 3 1数值格式组合17 2 3 2 结果验证18 2 4 网格分析1 9 2 4 1网格划分方案l9 2 4 2网格疏密对计算结果的影响2 0 2 5 流场分析2 3 2 6 本章小结2 5 第三章不同形式的旋涡脱落及其特性分析2 6 3 1 流态转变的临界雷诺数2 6 i 中南大学硕士学位论文日录 3 2 双子涡流场特性分析一3 0 3 2 1旋涡分离点3 0 3 2 2 双子涡涡长3 1 3 2 3 涡量随雷诺数的变化3 3 涡街流场特性分析3 3 本章小结3 9 阻流比对圆柱绕流的影响4 0 不同阻流比下流态转变的临界雷诺数4 0 不同阻流比下相同雷诺数双子涡流场特性分析4 5 4 2 1 分离点位置变化4 6 4 2 2 双子涡涡长变化4 6 不同阻流比下相同雷诺数涡街流场特性分析4 7 本章小结。4 9 总结与展望。5 0 研究总结5 0 研究展望51 献! ；：! 位期间主要的研究成果5 7 ! ；l ； 中南大学硕上学位论文第一章绪论 1 1 圆柱绕流及其特性 第一章绪论 钝体绕流，即流体流过非流线形物体。它广泛存在于自然界中，如河水绕过 桥墩、风吹过建筑物、空气绕过飞机等。在工业生产中，钝体绕流现象更是常见， 如工质冲刷换热器管束、海水绕流海底输油管道等。在一定的流动条件下，钝体 尾迹中会产生成对出现、交替排列、反向旋转的周期性旋涡脱落，这类流动现象 称为涡街。钝体绕流现象一直以来都是流体力学的研究热点，它涉及流动分离、 旋涡脱落及其相互作用等诸多问题。尾迹流场极为复杂，不少流动机理尚未完全 认识清划l 2 1 ，因而对钝体绕流的研究具有十分重要的学术价值。同时，对于存 在绕流的工业设备，流体还可能诱发钝体产生振动，使钝体疲劳损伤导致设备故 障【3 1 ，因此研究钝体绕流对提高现代工业设备长期运行的可靠性与安全性也具有 特别重要的现实意义。 圆柱是工业生产中最为常见的钝体形式，故圆柱绕流常被作为研究钝体绕流 特性的典型对象。 1 1 1圆柱绕流旋涡形成和脱落机理 对于不可压缩流体的圆柱绕流运动，雷诺数r p 是表征其流动状态最重要的 相似准数。随着雷诺数从d , n 大逐渐增加，无限大流场中的圆柱绕流呈现出不同 的流态，如图1 1 所示。 由图可见，r e 5 时，流体紧贴圆柱流动，无流动分离，尾迹中无旋涡，( 5 1 5 ) 、 r e 4 0 时，圆柱尾迹中形成一对稳定对称的旋涡，即双子涡。随着尺p 增大， 旋涡开始拉长，一直到尾迹中呈现两列由交错排列的旋涡构成的涡街，形成一个 周期性旋涡脱落过程。4 0 r e 1 5 0 时，边界层为层流，旋涡脱落为层流分离过 程，因此涡街为层流涡街。1 5 0 r e 3 0 0 时，旋涡内部向湍流过渡。3 0 0 r e ，4 0 时，圆柱绕流尾迹会产生涡街【4 5 】，旋涡脱落机理比较复杂，如图卜2 所示。 由于流体的黏性，圆柱表面会形成边界层。在前驻点a 处，流速为o ，压力 最大，边界层厚度近似为o 。随着流体沿圆柱表面向两侧绕流，流速逐渐增大， 压力逐渐降低，边界层厚度逐渐增加。但边界层仍然很薄，内部压力与其外表面 中南大学硕士学位论文第一章绪论 压力基本相等，边界层内部与其外表面流速和压力变化趋势也基本相同。 魍 囊 熟 u , p r e 5 无分离流动 ( 5 - 15 ) 一 r e 4 0 尾迹中产生稳定的旋涡对 4 0 r e 1 5 0 层流涡街 1 5 0 一 r e 3 0 0 旋涡内部向湍流过渡 3 0 0 、 r e 3 xl0 5 湍流涡街 3 x 1 0 5 、 r e 3 x 1 0 6 湍流涡街 胁3 5 x 1 0 6 湍流涡街重新建立 图1 - 1不同雷诺数下旋涡脱落形式【5 1 二 蘑笊 a 图1 - 2 流体绕圆柱运动1 5 l 当流体由a 点到达b 点的过程中，流体在黏性力作用下要消耗部分能量， 使边界层中的流体速度有降低的趋势。边界层外流体会输送一些能量来补充，以 维持边界层内速度的增长。因此，从a 点到b 点这段区间里，边界层内的流动 是稳定的。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在b 点以后，边界层外流体的流动变为增压减速运动，动能一部分要转化 为压力能，流速不断减小。边界层外流体已不能给边界层内的流体补充能量以减 缓减速趋势，这样边界层内流体的能量有一部分要转换为压力能，还有一部分要 继续克服摩擦阻力。因此，剩余的能量己不足以维持边界层外边界上速度的减缓 和压力的升高，导致速度急剧下降。 流体继续运动到达c 点后，圆柱表面附近流体的动能耗尽，出现倒流现象。 从c 点后到d 点，出现了边界层的分离面c c 。流体的流动极不稳定，不断形 成一个个旋涡。来流与边界层内倒流的流体相遇，使流线显著地被挤离圆柱表面， 产生了边界层分离现象。这就是流体绕流运动产生旋涡分离的原因和过程。由于 边界层的不稳定性，在柱体两侧形成交替、有规律的旋涡列，称为卡门涡街，简 称涡街。圆柱后的涡街流动过程如图1 3 所示。 图1 - 3圆柱后的涡街流动 6 1 1 1 2 圆柱表面受力 当流体横向流经圆柱时，作用在柱体上的作用力可分为与来流方向垂直的脉 动升力和与来流方向一致的阻力，它们都是随时间变化的周期性的力。脉动升力 主要是由于涡街形成时旋涡交替自柱体脱落而使柱体两侧压力产生脉动而造成 的。阻力主要是流体绕流圆柱时由于表面摩擦阻力和圆柱前后压差造成的。前者 的时间平均值一般为零，而后者不为零1 7 1 。 1 1 3 基本参数 平行壁面问圆柱绕流的无量纲参数有：雷诺数、斯特劳哈尔数和阻流比。 ( 1 ) 雷诺数 雷诺数是表征流体流动中惯性力与黏性力之比的无量纲参数，用符号船表 示，本文以钝体迎流面宽度即圆柱直径d 为特征长度，其表达式为 r p ：u p e( 1 1 ) 3 中南大学硕：l 学位论文 第一章绪论 式中，u 为来流速度，p 为流体的密度，为流体的动力黏度。 雷诺数较低时，黏性是流体流动的主要影响因素；雷诺数较高时，惯性力是 主要的，黏性对流动的影响只在边界层内或速度梯度较大的区域。 ( 2 ) 斯特劳哈尔数 斯特劳哈尔数是用于表征旋涡脱落特性的最重要的相似准则数之一，可视为 旋涡脱落的无量纲频率，用符号& 表示。& 与柱体形状和雷诺数如有关，其计 算式为 & ：等 ( 1 2 ) u 式中，d 为钝体迎流面宽度，厂为旋涡脱落频率，u 为来流速度。 对于圆柱来说，柱体迎流面宽度即等于圆柱直径。 试验得出圆柱的& 和胎之间的关系，如图1 4 所示。 r e 图i - 4圆柱的& 与m 的关系曲线【5 1 在平行壁面间插入圆柱，设流道宽度，即平行壁面间的距离为d ，此处圆柱 两侧到壁面之间的平均流速明与来流速度u 不同，根据流体连续性定理 u l ：一u ( 1 3 ) 删一书却 m 4 ， 式中，所为通流比，即圆柱两侧弓形面积与流道横截面面积之比。 则& 的计算式为 s t ：m d f ( 1 5 ) u ( 3 ) 阻流比 4 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 在平行壁面间的圆柱绕流中，阻流比是一个重要参数，对圆柱绕流流场特性 有一定的影响。阻流比是指圆柱直径与平行壁面间的距离之比，用符号表示。 即 = 昙 ( 1 - 6 ) 1 2 钝体绕流的研究进展 从1 7 6 8 年d a l e m b e r t 提出绕物体流动“阻力绝对等于零 的疑题算起，钝 体绕流问题的研究已有2 0 0 多年历史。1 8 7 8 年s t r o u h a l 发现弦线在空气中振动 发声时，振动频率和风速与弦线直径之比成正比；1 8 7 9 年r a y l e i g h 观察到风中 琴弦的振动主要发生在与风垂直的方向；英国的m a l l o c k 和法国的b e n a r d 分别 在1 9 0 7 年和1 9 0 8 年研究了单相流流过钝体后形成的周期性旋涡脱落现象；1 9 1 1 年v o nk a r m a n 系统地研究了涡街的形成和稳定性，建立了涡街结构与作用在圆 柱上阻力的关系，成为钝体绕流研究的一个里程碑。钝体绕流的旋涡脱落现象是 流体和钝体二者相互作用的结果，是一种复杂的流动，受到流体流动条件、钝体 形状等多种因素影响，有些流动现象和机理仍未得到透彻的认识。目前，国内外 学者通过实验和数值模拟对流体在柱体后的旋涡形成和脱落机理、涡街稳定条 件、斯特劳哈尔数、柱体表面受力、旋涡分离点及压力分布等方面进行了大量研 究，取得了丰硕的成果。 1 2 1钝体绕流实验研究进展 钝体绕流尾迹特性是众多研究者研究的重点，国内外许多学者对其进行了实 验研究。r o s h o k o l 8 】通过实验，对低速风管中的圆柱绕流进行了研究，发现圆柱 绕流存在与雷诺数相关的三个不同的发展阶段，包括线性流动阶段、转捩阶段和 湍动阶段，尾迹波动存在明显的不规则性。随后，b e r g e r l 9 1 、c o u t a n c e a u 1 0 j 和 o e r t e l i 】详细描述了以上三个不同阶段的斯特劳哈尔数、尾迹分离点、速度和回 流区长度等流场特性。w i l l i a n l s o n 【1 2 j 通过实验研究了圆柱绕流尾迹旋涡脱落现 象，发现在近壁面区流向涡存在两种模式，均与三维转捩有关。 不同雷诺数的圆柱绕流旋涡脱落形式不同。t a n e d a l l 3 , 1 4 1 通过实验测量了圆柱 尾涡的特性，为了实现玻璃水槽中圆柱绕流的可视化显示，在水槽中均匀散布了 一定量的铝粉，利用铝粉对入射光源的发射来清晰地描述流体的运动情况。研究 发现雷诺数为5 时，开始出现圆柱双子涡，并随着雷诺数的增大，圆柱后双子涡 长度逐渐变长，脱落频率也加快。同时发现雷诺数小于4 5 时，双子涡一直稳定地 附着在圆柱后部，当雷诺数大于4 5 时，圆柱后部旋涡开始交替规则的脱落并向下 中南大学硕士学位论文第一章绪论 游运动，即形成卡门涡街。随后，应用流场显示技术观察到圆柱尾迹随着下游距 离的增加而不断演化成比初生涡频率要低的二次涡。 d u r a o ”l 等采用激光多普勒测速法测量水管内高雷诺数下的方柱绕流，得到 高速振荡区的能量为总能量的4 0 。张孝棣i l6 j 等利用粒子图像测试( p i v ) 技术， 定量测量了不同雷诺数下圆柱绕流尾迹，得出了瞬时速度场、涡量场和流场的流 线图，发现旋涡形成和脱落的重要因素是剪切层的相互作用，并得到雷诺数在1 0 4 到1 0 5 之间时，随着雷诺数的增大，旋涡形成区域长度逐渐缩短。张文杰【1 1 7 】等利 用p i v 技术对均匀来流绕圆柱的流动进行了实验，研究了气流绕过圆柱时边界层 的形成和旋涡的形成及脱落过程。李玲【l8 】等采用数字图像测速系统对浅水层中 圆柱绕流的流动形式进行了实验研究，详细测量了多个特征参数下的尾迹流动特 性，得到了圆柱绕流尾迹的速度流线图。 v e n u g o p a l l l 9 】等对使用不同壁面压力测量方法的涡街流量计进行了实验，在 充分发展和有扰动存在的情况下计算了三种不同阻流比( 0 1 4 、0 2 4 和0 2 8 ) 的 情况，发现在充分发展的情况下阻流比为0 2 8 时最好，因为此时信号强度最大， 斯特劳哈尔数误差最小。阻流比为0 2 4 时相比于充分发展流，扰动流导致信号振 幅放大。 1 2 2 钝体绕流数值模拟研究进展 随着计算流体力学的迅速发展，钝体绕流数值模拟的研究也取得了重大进 展。许多国内外学者做了大量的数值模拟，分别从数值模拟方法、钝体形状和形 式、来流条件和阻流比等方面研究了钝体绕流的尾迹流场特性。 在数值模拟方法上，研究者采用了多种方法和多种模型模拟了不同钝体形状 的绕流特性。m e n e g h i n i 2 0 】等采用有限元法对三角形非结构网格的单个圆柱、串 联双圆柱和并联双圆柱进行了二维模拟，将所得斯特劳哈尔数& 与其他数值模 拟和实验结果对比，并比较了双圆柱中心距不同时所需要的计算时间。樊洪明1 2 l 】 等采用隐含迎风耗散作用并具有较高精度的e t g 有限元法，模拟了雷诺数为3 2 、 1 0 2 和2 5 0 的黏性流体圆柱绕流，模拟结果与实验结果吻合良好，表明e t g 有 限元法稳定性好，精度较高。刘宇1 2 2 等模拟了不同雷诺数下的方柱绕流，低雷 诺数下直接采用n s 方程进行计算，高雷诺数下引入加模型，应用g a l e r k i n 有 限元法对控制方程进行离散和求解。计算得出不同雷诺数下的卡门涡街脱落形 态，并得到方柱的受力系数和斯特劳哈尔数，计算结果与文献结果吻合。 y u l 2 3 l 等采用交错网格和有限差分法对矩形棱镜绕流进行了大涡模拟，对流 项采用了q u i c k 和中心差分格式，并对时间步长进行了研究，结果表明q u i c k 和中心差分格式计算结果相差很小，在网格密度足够的情况下，建议采用q u i c k 6 中南人学硕一卜学位论文第一章绪论 格式，另外计算得出时间步长对结果影响很小。m u 冰锄i 【2 4 】等对方柱绕流进行 了二维和三维大涡模拟，得出相对于二维计算，三维计算能较好地符合实验结果， 与其他湍流模型模拟结果比较，说明大涡模拟是最好的模拟方法，但该方法对计 算机资源的要求较高。应展烽【2 5 l 等利用大涡模拟，对可压缩流体流经安装在方 管底部长方体的绕流现象进行了三维数值模拟，显示了流体绕经长方体后各涡的 形成和耗散过程，分析了不同r e 时长方体绕流流场的结构，发现壁面上的涡在 小雷诺数时基本稳定，在大雷诺数时容易脱落，流场呈现复杂的湍流结构。通过 改变长方体的高度，得到了绕流流场在不同阻流比下的结构变化，发现湍流现象 随着阻流比的增大而增强。郭照立【2 6 j 等采用结合大涡模型的l b 方法对圆柱绕流 进行了数值模拟，并与文献实验结果和计算结果进行对比，结果表明结合大涡模 型的l b 方法可有效地模拟复杂流动中的大涡结构。 r a l l m a n 【2 。7 】等使用二维有限体积法研究了雷诺数为1 0 0 、1 0 0 0 、3 9 0 0 时非稳 态层流和湍流圆柱绕流的复杂问题。使用三种不同的湍流模型来模拟雷诺数为 1 0 0 0 和3 9 0 0 时的湍流过程，结果表明二维有限体积法对计算流体动力特性和捕 捉旋涡脱落非常合适，在较大雷诺数下也能保持较高的精确度，同时表明标准 良模型计算阻力系数更加精确，而可验证的肛模型对旋涡捕捉的精确性更高， s s tk - c o 湍流模型更适用于大雷诺数的情况，与实验结果相比大部分结果比其他 数值模型更加精确。王远成【2 8 】等采用采r n gk - e 湍流模型模拟了钝体绕流流场， 计算结果表明r n gk - e 湍流模型可成功模拟钝体绕流的不稳定性和剧烈分离流 动。 不同钝体形状和形式的数值模拟也很多。b r a z a 2 9 】等对不可压缩层流圆柱绕 流的压力速度场进行了数值模拟和物理分析，得到阻力和升力的振荡频率与实验 数据相符，并对不同尺寸的涡结构，特别是随时间变化的二次涡的相关特征作了 一定的分析。姚育成【3 0 1 等利用涡量法对高雷诺数下半圆半椭圆的拼接体绕流流 场的流动结构、涡的变化及气动力特性进行了二维数值模拟，结果与前人结果相 吻合，验证了此数值模拟过程是合理的。徐元春1 3 l 】等模拟了雷诺数为2 0 ，4 0 ， 1 0 0 时的均匀来流绕圆柱的流动，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，尾迹流动表现出一系列不同的构造，在雷诺数约为 4 0 时流场有明显变化，雷诺数小于4 0 时，存在一对位置固定的旋涡，雷诺数大 于4 0 时，流场开始变得不稳定，旋涡扩大、脱落、又生成，逐渐发展成两列周 期性摆动和交错的旋涡。 m i t t a l1 3 2 ，3 3 】研究了在圆柱绕流尾涡中放置光滑分流板的影响，发现抑制旋涡 脱落的分流板最短长度约为圆柱直径的两倍，并且需要将分流板放置在尾涡后部 基本无扰动流的地方。随后，研究讨论了旋转圆柱绕流的三维不稳定性，发现在 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 转速萨5 时，二维绕流特性是稳定的，三维特性是不稳定的。另外，将一平滑分 流板放在圆柱尾流中会导致升力减小，阻力增大；阻流比在旋转圆柱绕流中也起 到了很大作用。 k a h a w i t a l 3 4 l 等对梯形钝体进行了二维数值模拟，简单讨论了梯形形状对临界 雷诺数和旋涡脱落的影响，结果显示与梯形较小面宽度相比，梯形高度是影响斯 特劳哈尔数的主要因素。 s a h a t 3 5 】等对方柱进行了低雷诺数三维数值模拟，得到绕流由二维到三维的转 捩是在雷诺数1 5 0 到1 7 5 之间，在r e = 1 7 5 时，涡街错位，呈现模式a ( 涡的展 向波长约为圆柱直径的三到四倍) ，在r e = 2 5 0 时呈现模式b ( 涡的展向波长约等 于圆柱直径) ，相比模式a 较好，发现改变网格尺寸并没有改变错位现象，说明 错位是一种物理现象，另外得到方柱三维模式过渡的结果与圆柱绕流相吻合。 y u 3 6 1 等模拟了雷诺数在l 到5 0 、达西数在l o 击到1 0 1 范围内的多孔方柱绕流， 结果显示出现在方柱下游的循环尾迹在特定参数范围内完全脱离了钝体本身，尾 迹的尺寸和位置依赖于雷诺数和达西数，随r e 增大尾迹先增大后减小。 来流条件不同，钝体绕流尾迹特性也不同。s u g i y a m a i 了7 j 等模拟了三维泡状 流绕圆柱的流场特性，计算结果与实验结果及其他研究者的数值模拟结果一致。 其中，对几种不同空泡率下的斯特劳哈尔数进行了研究，得到了斯特劳哈尔数的 最大值。c a o l 3 8 1 等模拟了亚临界雷诺数下线性剪切流绕圆柱流动的旋涡脱落特 性，研究发现s t 没有随着剪切参数的变化而变化。l a j l k d a s u 【3 9 1 等使用二维n s 方 程研究了不可压缩线性剪切流绕方柱流动的流场特性，模拟了剪切参数为0 0 、 0 1 、o 2 和阻流比为0 0 6 2 5 和0 1 的流场特性。计算结果表明随着剪切参数的增大， 临界雷诺数减小。临界雷诺数随阻流比的增大而增大。 工业上钝体绕流多数存在于有限流道中或两平行壁面之间，例如热管换热器 的设计、涡街流量计的设计、风管中的实验模型、海底输油管道等，因此对有限 流道或平行壁面间的钝体绕流的研究是非常有意义的。学者们在这方面也做了一 定的研究。g u o l 4 0 l 等采用l b m 方法模拟了二维管流中的方柱绕流，研究了雷诺数 l n 5 0 0 内的不同旋涡脱落形式，并得到了不同雷诺数下斯特劳哈尔数变化曲线， 与其他数值模拟数据对比结果较准确。k i m l 4 l 】等对管道内湍流绕流方柱进行了大 涡模拟，其目的主要是广泛验 = i e z a k a g a w a h 2 1 等的实验结果，结果不论是定性还 是定量都是比较好的；同时比较了管道内方柱绕流与无限流场方柱绕流的流场特 性，发现管壁的存在对旋涡脱落有很大影响。 孙志强1 4 3 l 等采用r n gk - e 模型模拟涡街流量计的流场，描绘了涡街产生和脱 落过程，着重分析了壁面压力分布随涡街脱落的演变情况。结果表明涡街流场中 靠近梯形钝体的壁面静压有较明显的波动，在距离钝体一定范围内，越靠近钝体， 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 静压幅度越大，该研究推进了涡街流量计的结构设计和测量性能的优化。贾云飞 】等模拟了流体流经涡街流量传感器时产生的卡门涡街现象，得到了目前最常 用的梯形钝体后的最佳取压位置，即距钝体尾部2 8 倍的截流面宽度处，并将梯 形钝体与t 形钝体进行了对比研究，研究表明t 形钝体产生的旋涡信号要优于梯 形钝体。 y a n g 4 5 】等模拟了管道内振荡矩形柱绕流的流场结构，研究了振荡速度、频 率和阻流比对流场的影响，发现随着振荡速度的增大，围绕在矩形柱顶部和底部 的回流区随着旋涡生成而压缩；阻流比的增大对振荡矩形绕流的影响是比较显著 的。p a t i l t 4 6 】等模拟了两平行壁面之间的二维方柱绕流，发现旋涡脱落的临界雷诺 数随阻流比的增大而增大，在阻流比超过0 3 8 后临界雷诺数开始下降。对于一个 给定的雷诺数，斯特劳哈尔数随阻流比增加而增加。稳定的尾迹长度随阻流比的 增加而减小，在阻流比等于0 4 时达到最小值，然后随阻流比的增大继续增大。 s e n t 4 7 】等使用有限元法研究了雷诺数在6 到4 0 之间的二维层流圆柱绕流，发 现阻流比为0 0 0 5 时临界雷诺数为6 2 9 ，阻流比为0 0 0 1 时对流动特性参数的影响 微不足道。研究结果表明在稳定情况下尾流长度、分离角、底座吸力、总阻力、 压差阻力、粘滞阻力和最大涡分别与胎、r p o 一、r e 、r e - o 一、r e - o 、r 一6 0 和r p o 5 有关。s i n g h a t 4 8 】等采用非结构网格和有限体积法模拟了一定雷诺数范围内不同阻 流比下的二维圆柱绕流，研究证实由于圆柱尾迹与壁面之间的相互作用，当阻流 比增大时，旋涡脱落会发生延迟，分离点位置向后移动，尾涡长度变短。 综上所述，钝体绕流流场特性分析的数值模拟方法很多，但是大多数都是针 对高雷诺数下的钝体绕流，对于低雷诺数层流模型的研究很少，并且在计算过程 中没有较佳的网格和算法可供选择。同时，对于不同平行壁面间低雷诺数圆柱绕 流旋涡脱落形式的研究也较少，故本文将对以上几个问题进行数值模拟与分析， 推进钝体绕流旋涡脱落理论的发展，并为工业上钝体绕流的应用提供一定的参 考。 1 4 课题研究背景和研究内容 1 4 1 课题研究背景 本课题来源于国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 0 6 1 2 5 ) ：管道内变阻流比钝 体尾迹演化特性的e e m d h i l b e r t 谱辨识，同时得到了中南大学研究生学位论文 教育创新工程项目( 2 0 1 0 s s x t 0 2 4 ) ：复杂流动条件下钝体尾迹流场结构模拟、中 国博士后科学基金特别资助项目( 2 0 0 8 0 1 3 4 6 ) ：涡街流动的非线性模拟与控制和 湖南省博士后科研资助专项计划项目( 2 0 0 8 r s 4 0 2 2 ) ：涡街流动的流阻特性及其 控制方法研究的资助。 o 中南大学硕 ：学位论文第一章绪论 圆柱绕流是研究钝体绕流尾迹特性的典型对象，是流体力学的研究热点，因 此，研究圆柱绕流尾迹演化特性对钝体绕流理论的完善具有重要的学术意义。工 业上圆柱绕流常发生在平行壁面间，如热管换热器、涡街流量计等，并且大多数 圆柱的长度远大于其宽度，因此，研究平行壁面间二维圆柱绕流特性具有重要的 实际应用意义。 1 4 2 课题研究内容 本文的主要研究内容是对平行壁面问二维圆柱绕流进行数值模拟，得出较佳 网格和算法，并对圆柱绕流的旋涡脱落特性做一定的分析，主要包括以下几方面 内容： ( 1 ) 通过对不同算法和网格的比较，得出模拟平行壁面间二维圆柱绕流的 较佳算法和网格，为圆柱绕流的数值模拟奠定基础。 ( 2 ) 采用已确定的较佳算法和网格计算某一固定阻流比下平行壁面间二维 圆柱绕流的旋涡脱落形式，得到流态转变的临界雷诺数，并对流场进行分析。 ( 3 ) 在以上两个方面的基础上，继续研究平行壁面对圆柱绕流的影响，数 值模拟不同阻流比下的圆柱绕流，得出流态转变的临界雷诺数，并分析反映流场 特性的各参数随阻流比变化的规律。 l o 中南大学硕士学位论文第二章平行壁面问圆柱绕流的数值模型 第二章平行壁面间圆柱绕流的数值模型 本章的目的在于确定适于模拟二维圆柱绕流的计算精度和速度俱佳的算法 和网格。图2 一l 为圆柱绕流的物理模型，考虑信号强度和流动的稳定性，几何尺 寸按照工业上常用的涡街流量计的结构尺寸设计。由于所要研究的是平行壁面间 雷诺数