基于ADINA的二维圆柱体的绕流数值模拟.pdf

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1、第25卷第2期2012年3月机电产品开簋与剀新DevelopIIleII￡＆In舯vali呻ofMachillery＆EJec撕calPr甜Ⅱc缸Vd．25．NO．2Mar．．2012文章编号：1002．6673(2012)02一107—02基于ADINA的二维圆柱体的绕流数值模拟薄宇1．张淑芳2(1．沈阳钻探机械研制中心，辽宁沈阳110122；2．陕西科技大学，陕西西安71002I)摘要：均匀流动流过半径为r0的二维圆柱是一经典的流体力学问题。对于粘性流体。流动甚为复杂。论文在ADINA中模拟了当雷诺数取不同值时的二维

2、圆柱体绕流问题。观察尾流及圆柱体表面的压力分布。其结果与实验结果相吻合。关键词：雷诺数；流固耦合；数值模拟中图分类号：’I玛91．9文献标识码：Adoi：10．3969，j．i明n．1002—6673．2012．02．043Based蚰Fin№ElementMe也odN岫e晾湖鳓咖lI娟佃StudyofTwo-．dimen嫡伽融耵owAm删IdaCyHnd盯BoY0。zHANGS址}j田谙(1．SheI聊mgD棚illgMachineryResearchC铷砸’，“aoIli】略Sh曲弘llg110122，Clli越；2

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5、Jate出eexperilI"m砖飘Ib．1沁ywords

6、：r叩loldsm】I】nber；nllid—smlctureiIltencdon；mm”画calsi】n山曲n0引言Il流体一固体动力耦合是广泛存在于水利、船舶、海I洋以及航空航天等许多个工程领域中十分重要和多学科交叉的研究课题。近一个世纪以来。国内外学者对流体l与固体的动力耦合理论和方法开展了广泛的研究，取得l了一定的成果。但由于流同动力耦合问题的复杂性，尚存在流体小幅振动，液面无面波影响，流体固体接触界l面无相对滑动等假定以及非真正耦合的叠代求解，还远没有达到理论与实践的统一。I1研究现状对于流固动力耦合系统的求解

7、，比较简单的问题，可以采用解析法和半解析法，而具有复杂边界条件的实际工程问题，很难给出其解析解答，借助于电子计算机采用数值解法进行近似求解是比较有效的方法。目前对I此类问题的数值求解方法比较多，常用的有：有限元I法、边界元法、有限差分法及这几种方法的混合方法：等。由于有限元法对处理这类复杂边界的优越性比较明显而使用得最多。本文采用有限元法模拟了二维圆柱体l收稿日期：2011—12—07作者简介：薄宇。男，助理工程师。从事机械设计工作；张-淑芳，女，硕士研究生。研究方向：机械设计及理论专业。l的绕流问题，并将其与以往的实验

8、结果进行了对照分析。2二维圆柱体绕流问题的理论分析均匀流动流过半径为r0的二维圆柱是一个经典的流体力学问题。对于不可压缩理想流体．圆柱绕流的精确解是均匀流与偶极子的叠加．流速分布用右手柱坐标(r，0，z)表示为：m=U蕾cos0(1—ri憎)(1)№=一U_sin0(1+寺舻)(2)式中：U-_无穷远处未受扰动的来流流速；*一径向流速；№一圆周向流速，以逆时针方向为正。在圆柱表面，吼：．’．脚=0№=一2U茹inO(3)可见在圆柱表面上流体与固体表面之间存在相对速度即滑移(slip)。圆柱壁面压强可由伯努利方程P+p斗亿

9、舢t。得到：P-P-+(pU。／2)(1—4sin20)(4)式中：P卜无穷远处未受扰动流场的压强；旷流体密度。或用无量纲压强系数C。表示为：Cp-2(P-氏)，(pU?)(5)由式(1)一(5)可看出压强分布是对称的，因此圆柱体所受到流体压强的合力在x方向和y方向均为零。及在流动方向没有阻力。这是达朗贝尔佯谬的一个特殊形式。107制造业信息化由粘性流体中圆柱绕流在不同雷诺数时柱表面压强系数c。的分布，可以得到对于粘性流体，流动甚为复杂。随着雷诺数Re=ud～(d为圆柱直径．v为流体的运动粘度)的不同。绕流压强分布也不同

10、。但他们与理想流动有一个共同的区别在于粘性流动动中圆柱体的背流面C。为负数。例如在下游驻点0=0。处，理想流动压强系数c。=+1，而层流是c。一1．1，紊流时当Re=8．4×106，cF一0．7而RF6．7×105时c口_-0．1均为负数。背流面压强小于迎流面压强，压强分布的不对称使圆柱受到流体给它的阻力，这个阻力称