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1、基于ADINA二维双圆柱绕流数值模拟探究摘要：均匀来流流过二维圆柱是一个经典的流体力学问题，尤其是对于粘性流体，由于雷诺数的大小不同，在面对层流和紊流两种与众不同的流场时，流场流线运动的规律较为复杂，本文正是借助于ADINA软件中出色的流固耦合的仿真计算技术，对于流场中二维双圆柱绕流流场的变化进行了科学的数值模拟，并给出了不同环境条件下流场的变化情况，计算出了圆柱表面的一系列动力学参数。结果表明：尾流及圆柱表面的压力分布，其实验结果与现有结果较为吻合关键词：雷诺数；圆柱绕流；网格密度；数值模拟；扰动力中图分类号：TP39文献标识码
2、：A1概述近些年来一些学者运用实验和理论方法对横向流作用下管阵流体诱发振动问题进行了分析和研究，得到一些经验公式来初步估计产生流体诱发振动的临界流速。并对两圆柱串列和交错放置的绕流问题进行过实验研究。针对两圆柱中心间距小于5.0倍圆柱直径的一系列情况，他们研究了两圆柱间的流动相互作用，发现中心间距存在有一临界值,当小于该临界值时，没有明显的涡自上游圆柱脱落。这一临界值约为3倍圆柱直径。standsby在1981和1987年分别用离散涡方法和随机涡方法研究了并排、串列和交错放置的双圆柱绕流问题得到了与实验相符的结果。但是经验公式中的
3、一些参数是在一些特定条件下得到的，具有很大得保守性和不确定性。双圆柱绕流模拟由于在一定范围内能够反映多个圆柱在一条直线上的绕流特征，圆柱附近流态的瞬时变化形式，并且模型简明，已经用ADINA软件能够计算比较精确的扰动力数值。因此基于现有的研究成果，本文旨在归纳总结双圆柱对绕流流场的影响。2双圆柱体绕流场基本理论根据prandt1的边界层理论，圆柱的绕流流动可以分为两个区，圆柱表面很薄的边界层区和其上的主流区，在边界层中流体粘性产生的摩擦力起主导作用，而在主流区粘性摩擦力可以忽略不计。双圆柱的排列方式有串列（水流攻角a=0°,间距T
4、=0）、并列（水流攻角a=90°）、错置（水流攻角a不等于0）3种。国外学者在亚临界雷诺数范围内通过实验研究了不同间距比和水流攻角下的双柱绕流，并据此划分绕流流态。得出了双圆柱串列、并列绕流流态随间距变化的图谱。斜置是双圆柱排列方式中最普遍的形式，在这种排列方式下，两柱间隙之间的流动偏向前柱，前柱尾迹总是比后柱窄。在850WReW1900的低亚临界雷诺数，S/d=1.0〜5.0的间距比和a=0。〜90°的攻角范围内，将斜置双圆柱绕流流态划分为9种。由于本文所研究的为二维不可压缩流体，因此在笛卡尔坐标系下，其运动规律可以用纳维-斯托
5、克斯方程来进行描述。连续性方程和动量方程分别为：式中，x—与无穷远处来流平行的水平方向坐标；y—与无穷远处来流垂直的竖直方向坐标；u,v--流场中沿x方向和y方向的速度；—流体密度和动力粘度系数；其中雷诺数3双圆柱体流固耦合数值计算模型3.1计算网格的选取在网格划分上，在双圆柱周采用比较密的网格，而远离双圆柱的流场部分则采用比较稀疏的网格划分，在流场结构尺寸的确定上，为了不影响圆柱周围流场的流态，在流场边界的选取上远离圆柱边界。(1)串列双圆柱：左右边界相距15D,上下边界12D,圆柱间距离L=5D.(2)并列双圆柱：左右边界相距
6、10D,上下边界12D,圆柱间距离T=2D.(3)错置双圆柱：左右边界相距12D,上下边界相距12D,两圆柱中心连线与水流速度方向呈45°方向，圆柱中心间距离S=2D.3.2边界条件设与模型特征参数设定：入口边界：速度入口条件，给定速度和压力，u=u,V=0,P=0出口边界：出流条件，给定压力和零压力梯度，上下边界条件：固定壁面（wall）条件。圆柱表面为流固耦合界面。特征参数：串列双圆柱均匀来流U=0.067m/s,并列和错置u=0.083m/s,流体为水，密度为1000kg/m3,动力粘性系数u=0.001kg/m.s,圆柱直
7、径D=0.02m,Re=1660和1340.在低雷诺数下也可以近似反应高雷诺数时的绕流情况，而滕丽娟则在他的论文中着重进行了Re=200和Re=20000时的双圆柱绕流流态，所以我采取的模型的雷诺数介于层流模型和紊流模型之间。3.3模型建立模拟时，流体用流体模型，结构用实体模型。流体模型是ADINA-F模型，实体模型是ADINA模型；但分析时用ADINA-FSI做完全耦合分析。模型很简单，需要注意的是要设定分析假定，由于所选圆柱体材料为钢材，所以变形和应变会很小。设置约束时要注意不要在圆柱体外缘轮廓线设置任何约束。网格划分时会自动
8、划分成轴对称网格。流体模型虽然很简单，但建立之前还是要考虑好怎样去划分网格，以便建立相应的点。而且需要注意网格疏密的分布,采用FCBI-C单元。流动分析假定设置为线性流动，不包括热传递，三种情况均设置了200个时间步，每个时间步长为0.OlSo4计
