流体绕多个钝体不稳定分离流动数值仿真

权(院)摘 要 采用离散涡方法对绕多个钝体不稳定权(院)摘 要 采用离散涡方法对绕多个钝体不稳定别离流动进行了数值仿真数值验结果说明,在来流对称的条件下,绕双圆柱流动是双稳态的,这和实验是一的绕多个钝体的流动更为复杂,前排对后排的流动存在很大的影响,尤其在前排不仅是一个物体的情况下计算中还包括了物体的不同截面形状这些计算果将有助于各种换热器海洋平台建筑群布置等正确设计,改变以往仅按平均稳定流动的设计。关键词 绕多个钝体流动;不稳定流;别离流动;离散涡方法中图法分类号O357.52绕多个钝体流动是动力工程中广泛存在的现象,例如叶栅流动就是一个典型的绕多个物体的流动再如各种换热器中流体绕圆柱群流动,海水绕海洋平台的圆柱群绕流,空气绕建筑群流动等等因而对绕多个钝体流动的研究具有很实用的意义同时,无论内部流动或外部流动,不稳定别离流动是当前的一个重要的研究方向而绕多体流动往往存在着不稳定别离现象例如绕双圆柱的流动,即使在来流均匀完全对称的条件下,也存在着双稳态流动这是在实验中发现的非常典型的不稳定流动,也是流体力学中一个经典难题再如我们熟知的aran涡街,也是一种不稳定流动除此以外,这种流动中往往还存在着旋涡分离等,所以流动特别复杂除了理论分析实验以外,对其进行数值仿真是一个重要方面近年来开展的离散涡方法对此提供了一个有效的手段。本文中结合工程实际,对双圆柱三圆柱多方块等多种物体形状,在不同的来流方向采用了离散涡方法进行数值实验,得到了一系列有意义的结果。1法基于二维不可压的假定,以旋ω为框架的S方程为/Dtω式中,为粘性扩散系数进一步将连续的旋涡场离散为一系列涡泡的集合,每一个涡泡的直径充分小在离散过程中保持其形成的环量不变,有N式中,为粘性扩散系数进一步将连续的旋涡场离散为一系列涡泡的集合,每一个涡泡的直径充分小在离散过程中保持其形成的环量不变,有NΓ=(x,y)dxdy=(a,)dadb=ω\-i(a,b)σi=1随后在拉格朗日坐标下,计算各个涡泡的运动当各个涡泡位置确定后,就可以得到由其诱导的流体速度及流场全部信息这种方法的特点是在计算中不需要计算网格,而且自动将计算集中在旋涡存在的区域,那里正是我们感兴趣的区域,可以得到随时间开展的非定常流场有关这种方法的详细介绍见文献1]。2动绕圆柱流动一直是流体力学中的一个经典研究课题即使绕单圆柱流动,由于其丰富多采至今仍是一个研究热点我们最近的一些研究2]获得一系列有趣的结果,例如旋涡的产生,脱落,振荡等等,这些都是最根本的流动现象绕双圆柱的流动自然较此远为复杂我们算均匀零角度来流的情况,如图1a所示其计算Re数为1107按流动条件下看,这种流动似乎应该是对称的其实不然,我们对其进行了长时间序列的计算,其结果如图1a2a(a)布图1()谱绕双圆柱流动t=11.05(无量纲时间)(a)布图2()谱绕双圆柱流动t=26.00(无量纲时间)©1994-2021ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.://wwwki.其代表的物理时间就长,反之亦然。从图其代表的物理时间就长,反之亦然。从图12中我们可以看到,流动是非定常的,存在着剧烈的别离,而且是双稳态的比照图1a和图2a可以看到在不同时刻,圆柱后面的旋涡处于不同的位置可见它是不稳定的平衡态,这个结果与实验是一致的在每一个时刻,除了流谱以外,还给出了旋涡的分布,如图1b2b所示我们可以由流谱得出涡谱,反之,也可以由涡谱得出流谱,这是一个微分与积分的关系,两者是统一的事实上,在离散涡方法中是先得出涡的分布,然后直接得出由旋涡所诱导的流场比照流谱与涡谱可见,旋涡区域也就是我们离散的旋涡元集中的地方我们可以将计算集中于最值得注意的地方,这正是离散涡方法的优点可以认为离散涡方法是一种对旋涡别离流动的自适应方法。在图3中,分别给出了两个圆柱上作用的升力与阻力系数随时间的变化可以看出,无论升力或阻力系数,两个圆柱之间存在着相位差如果需要,可以进行长时间的计算,得到充分多的取样,随后进行快速傅里叶分析(FF),就可以得到此时间序列的各种组成的频率与相位,以进行定量分析。(a)柱1()柱2图3绕双圆柱流动圆柱升力L与阻力D系数随时间的变化动3在上述根底上,进一步计算了绕三圆柱的流动,其流动情况如图4(见下页)所示,这也是上海东方明珠电视塔在风吹动下气流流动的仿真,其计算结果如图4ab所示它分别代表t=12.95,23.45时的流动,同样存在不稳定的流动状态在图5abc(见下页)中分别显示了作用在三个圆柱上的阻力与升力系数随时间的变化在前面的那一个圆柱3上,变化比较简单,而后面的两个圆柱1和2就比拟复杂,其变化的频率与相位都不同,显示了这种流(a)t=12.(a)t=12.95()()t=23.45()图4绕三圆柱流动(a)柱3()柱1(c)柱2()置图5三圆柱绕流中各圆柱升力L与阻力D系数随时间的变化©1994-2021ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.://wwwki.两个圆柱的情况,更是如此图两个圆柱的情况,更是如此图7abc分别为三个圆柱上作用的阻力与升力系数随时间的变化,从中也可以看出,处于后面的圆柱1升力系数变化尤为复杂这是由于后面的圆柱流动受到前面圆柱流动影响的结果从流谱中也可以看到,处于后面的圆柱其别离点较前面的早,别离区也较前面的大,也就是说处于后面的圆柱,其别离尤为剧烈,其作用的力也更大。这也说明了为什么当流动激发振动时,处于后面的圆柱更为危险。(a)t=17.80()t=21.75绕三圆柱流动流谱图6(a)柱1()柱2图7三圆柱绕流中各圆柱升力L与阻力D随时间的变化(c)柱3续图7((c)柱3续图7()置三圆柱绕流中各圆柱升力L与阻力D随时间的变化动4无论就风工程或环境流体力学而言,绕建筑群流动是又一个受人关注的课题人们希望得到在风的影响下,作用在个建筑物上的力及环绕建筑群的流场,用以考虑建筑物的风振及建筑物周围的环境质量作为一个例子,我们计算了绕三个方形截面建筑物的流动其结果如图89所示这两分别代表了两个相反方向来风的流动情况原那么上,其结果上述绕三圆柱的流动具有相图8绕三方柱流动流谱t=240(Re=107)似的特征,就计算而言,这种绕具有尖角物体的流动,其别离点的判断更为肯定,在图89中明显地可以看到,这些尖角点就是别离点。过流谱,我们可以看到风的流动对环境的影响例如别离点后,特别是物体后面往往存在着旋涡区这样如果存在污染气体或其他污染物时,就很不容易扩散另外,当两个建筑物之间距离过小时,就很图9绕三方柱流动流谱t=340(Re=107)©1994-2021ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.://wwwki.来改善环境质量限于篇幅,在此不作详述。5论来改善环境质量限于篇幅,在此不作详述。5论上所述,可见离散涡方法提供了研究绕流的一种很好的手段,可成功地用来模拟高Re数不稳定非定常和剧烈别离流动。绕多个钝体的流动往往是不稳定的流动,绕双圆柱的流动是其一个典型即使来流是均匀稳定的,流动条件完全是对称的,可是流动却存在双稳态计算结果与实验是完全一致的。同文献1]中那样,通过长时间计算,得到充分多的采样,就可以进行频谱分析显示流动的各种组成的频率和相位。绕三圆柱的流动,那么更为复杂,表现为前排对后面的影响特别是当前排存在多物体时,例如双圆柱正如上述,绕双圆柱的流动存在双稳态,它促使后面物体处于复杂的来流情况。带有尖角钝体的流动,显然更容易别离,而且尖角点往往就是别离点这可使计算中更容易确定别离点,而别离点确实定具有重要的作用。绕多体流动的研究具有广泛的工程意义例如各种换热器海洋平台环境工程等等,对其流动的了解,特别是其不稳定别离流动的认识,必将有助于对其进行正确设计以往的设计往往仅基于平均稳定的假定,从本文的计算可知,两者相差甚大。本方法可以计算绕任意安置的任意多个物体的流动,差异仅仅是增加一些计算工作量而已。参考文献1ioF,Wueqan,TaamSetl.oputatolaeoyacsfolatigaaeithteeolutonftl.AIAAJournal,198927(4):462～4712叶春明吴文权数值模拟圆柱绕流旋涡生成别离及演化华东工业大学学报,1995,17(4):25～303 PhoocaoardR.Nuelolutonfteaytaefuntayiousfowaoundaiclari2er:Aopaionithepeientliiatonandaureents.JluidMchanis,1985160:93～1174Wueqan,ioF,TaamSetl.orteximlatonfuntaytlinaaaeithpieiei2aatonandrorrctontchqe.e:NumericalMetosinLaminarandTurbulentlow,ol.5,UK:ieriePres,1987ralralsiatnfrnaleeaaedflowatltlntsWuenqan(lleefowerEngiering,ECUT,Shanghai200093)actTeppiaityfteortexetodtountaleparatedfowisasesedyo2putingtefowpattemltilunts.Inteortexetod,ieooputatoleshiseed,tereisoayiitfnumer,shpeorrlatieoitonftemltlunts.Tetp2lresltswereobtiedforfowpattetciners,thrcinersandthrqaresunerighReNumer,schas1107.orechnueriltetig,aongtieerieswaslclatedinorertoobtinteonqentilpoessfepent.Intantaoustreaiespatternanditributonsficreteortiesarepreentedaswlasteunteayftanddragforesf2fctedtemltlunts.Tenueriltetingeontratedteuntalecharcteriticsfasiyparatedfowpattemltlunts.Tefowpattetcinersisinbeqibriumtatus.teansthateenteeiiee,uformiletfowpatteymetriltciners,tefowisaymetril.Teunteasyftanddragforesffctedtetoinersrepctilyarelofferent.TethrcinersthatareoatedontetrialeisilarwithteontrctontpefShanghiTVower.Tefowpattethrcinerswasloimlatednuerilyforfferentirctonsfwind.Tefowaoundteckinerisoreopiatedthanthataoundtefontciners.Tisresltisreaoaleieteckinerisunertef2fctsfwaeftefowpatfontciners.Teoputatonforfowpattemltqaresistoimlatetewindpatteetfblings.Teortiesareldpetwentebligsfteetfblingsisuneraoreign.Tispeoeais