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《二维圆柱层流绕流及其控制数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、第9卷第5期2009年3月科学技术与工程Vol19No15Mar.2009167121819(2009)521187207ScienceTechnologyandEngineeringZ2009Sci1Tech1Engng1二维圆柱层流绕流及其控制数值模拟1张群峰何鸿涛吕志咏(北京交通大学土建学院,北京100024;北京航空航天大学流体力学研究所1,北京100083)摘要采用有限体积法求解二维N2S方程,通过改变时间、空间计算参数,对雷诺数100的二维圆柱非定常流场进行了数值模拟,将所得结果与实验数据以及已有的计算结果进行了对比。并对在尾部多个位置加
2、入不同长度阻隔板控制流动的圆柱流场进行了考察。结果发现:在合适的位置放置阻隔板,可以有效抑制尾迹中涡脱落的形成。关键词CFL数斯特劳哈数圆柱绕流涡脱落控制中图法分类号V211.3;文献标志码A研究圆柱绕流流场,并且使用合适的方法控验值相比较,分析求解的空间步长和时间步长对于制流动中的不利因素,减小绕流中的损失,具有很该状态下流动求解的影响。高的工程应用价值。众多研究人员通过理论分析、实验研究以及数值模拟,对圆柱绕流及其流动1圆柱绕流研究控制做了大量的深入研究,取得了不少的成果。然而,目前对于圆柱绕流所包含的物理本质理解众所周知,影响圆柱绕流的关键因素
3、是雷诺数仍然是不完整的。本文研究了低雷诺数下的圆柱Re。随着Re数的增加,圆柱绕流将呈现不同的流动绕流以及通过阻隔板控制流动的方法,结果发现状态:在合适的位置放置阻隔板,可以有效地抑制尾部当Ren1时,流动缓慢,可以称其为蠕动流,此涡脱落的形成。时的圆柱绕流与很低雷诺数下的球体绕流相似,流随着计算机和数值方法的不断发展,通过计算动图画上游和下游对称;Re<5时,流动依然附体,机数值模拟圆柱绕流现象,得到准确的数值解已经没有出现分离;而当Re数提高到略大于5(有些文变为现实。然而,由于数值方法所引入的截断误差献中认为是4)时,流动发生分离,在圆柱体尾部
4、形和计算机的字长有限引入的舍入误差,使得计算得成一对稳定的滞留涡,上下对称,随着雷诺数的继到的数值解与精确解存在一定的误差。为了能够续增大,这对滞留涡发展得越来越大;对于40≤得到最好的计算结果,在数值计算中应该尽量减小Re<150,在圆柱尾迹中开始出现旋涡脱落,逐步形这种误差。因此,本文研究的另一个目的就是考察成稳定的层流涡街,斯特劳哈数Sr的规律近似等于在雷诺数Re=100的二维圆柱绕流数值模拟中,空Sr=0.212(1-21.2/Re),此时的附面层的分离属于间和时间计算参数对于减小计算误差的作用。本层流分离,从前驻点量起的分离点位置为θ≈文采
5、用有限体积法数值求解二维N2S方程,改变网±80°;当150≤Re<300,层流涡开始转变为湍流格数目以及时间步长,对雷诺数Re=100的圆柱绕涡,附面层仍是层流分离,Sr=0.16～0.20;当300≤5流非定常流场进行了数值求解,将得到的结果与实Re≤3×10,称为亚临界区,此时,附面层仍为层流分离,而尾迹已经变成湍流涡街,Sr≈0.2;在3×2008年11月21日收到5610≤Re<3.5×10,称为过渡区,流动经历了临界区和超临界区,附面层分离已从层流分离转变为湍1188科学技术与工程9卷流分离(θ≈±110°),旋涡脱落由规则变成不规则,网
6、格,网格外形图如图1所示。流动现象呈现出随机性;进一步提高雷诺数,达到6Re≥3.5×10,此时进入过临界区,湍流涡街重新建立,尾迹又呈现出周期性特征。对于圆柱绕流的数值研究,通常用斯特劳哈数描述非定常尾迹的主要流动特征、用阻力和升力系数描述近壁面流动的流动特征。本文在对流场结果分析时也将使用这三个变量来考察流场的流动情况。2数值方法因为本文主要求解雷诺数Re=100时的圆柱绕流情况,该雷诺数状态下的圆柱绕流为层流绕流,需要求解二维非定常不可压的N2S方程组:5u5v+=05x5y225u5u5u5p5u5uρ+ρu+ρv=-+μ2+2(1)5t5x
7、5y5x5x5y225v5v5v5p5v5vρ+ρu+ρv=-+μ2+25t5x5y5y5x5y本文采用有限体积法对上述微分方程进行离散,然后用SIMPLE算法对离散方程进行求解,计算中时间推进采用二阶隐式格式,空间离散采用三阶图1计算网格精度的QUICK格式。数值计算的边界条件:入口为速度入口,出口3网格划分及模拟工况是压力出口,顶部和底部边界为对称面边界条件,圆柱及阻隔板表面均为壁面无滑移条件。3.1计算网格3.2模拟工况[1]根据Tritton的实验模型,考虑到计算精度,取对于Re=100的圆柱绕流流场,本文对网格数直径D=1.125cm的圆柱
8、作为计算模型。流动介质为16630、47600、94710和时间步长为0.0005、3为空气,密度ρ=1.2
