等直径串列双圆柱体绕流的数值模拟.pdf

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1、第43卷第12期中国海洋大学学报43(12)：092～0972013年12月PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINADec·，2013等直径串列双圆柱体绕流的数值模拟+刘景伟，郭海燕，赵婧(中国海洋大学32程学院，山东青岛266100)摘要：在不同的亚临界雷诺数Re和柱间距比G／D条件下，运用Fluent软件对等直径串列双圆柱体的绕流现象进行数值模拟。根据模拟结果，分析了Re和G／D对漩涡脱落形态、压力系数Cp和斯特劳哈尔数St的影响规律。结果表明：随着柱间距的变化，双圆柱体的尾流呈现不同的漩涡脱落形式，出现相同尾流形态的G／D范围，会随着融

2、的变化而发生改变。由于受下游圆柱体干涉效应的影响，上游圆柱体的剪切层分离点位置随着G／D的增大而逐渐后移，当达到某一临界值后，干涉效应消失，Cp分布和剪切层分离点与单圆柱体相似。与此同时，St也随着G／D的变化而发生改变，其变化规律与不同的漩涡脱落形态相对应。关键词：圆柱绕流；雷诺数；柱间距比；漩涡脱落形态；压力系数；斯特劳哈尔数中图法分类号：TVl43文献标志码：A文章编号：1672—5174(2013)12—092—06随着我国“海洋强国”战略的规划实施，海洋工程成为学者们越来越关注的热点领域。“海洋石油981”的成功开钻，标志着我国的石油深水开采事业又迈出了实质性

3、的一步。然而，开采海上石油需要布置的管线数量众多且排列密布，海洋立管等结构都会涉及到多柱体的绕流问题。由于柱体之间存在着强烈的相互干扰作用，其流动分离、旋涡脱落形式及压力分布情况等都与单柱体绕流有着明显的区别。针对圆柱绕流问题，国内外的学者进行了一系列的研究[1剖。对于单圆柱绕流，学者多针对不同雷诺数下的流场形态、升曳力系数和斯特劳哈尔数等的规律进行研究。詹吴等[5]运用Fluent软件对亚临界、超临界和极超临界雷诺数范围内的单圆柱体绕流进行二维数值模拟。王亚玲等[6]对黏性不可压缩流体的圆柱绕流进行了三维模拟，认为高雷诺数时圆柱体周围的流动具有明显的三维特性，且沿柱长

4、方向上不同断面的升力系数和阻力系数并不相同。由于单圆柱绕流研究较早，尤其是二维绕流，理论研究已经较为成熟，现在多用于数值模型网格质量的验证，在工程实际中其作用力系数也多按作参考值直接引用。对于多圆柱绕流，其尾流形态和作用力等的变化规律，除了受雷诺数影响外，柱体间的直径比、间距比和排列方式等都会对其产生较大的影响。由于圆柱体的数量和排列方式的组合众多，目前针对多圆柱绕流的模型试验和数值模拟，多是选用双圆柱模型来展开的。其中Igarashi[7]通过在风洞中进行物理模型试验，研究了等直径双圆柱体在不同柱间距和不同雷诺数下*基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2010AA0

5、92303)资助收稿日期：2012-09-06；修订日期：2013—02—10作者简介：刘景伟(1989一)，男，硕士生。E-mail：hail0810@163．corn的绕流规律，并将串列双圆柱体的流体相互作用区域划分为6种，对漩涡脱落的尾流形态进行了界定。Me—neghini等[8]在雷诺数为100和200时，针对柱间距的变化对串列和并列的等直径双圆柱体流场结构和升、阻力系数进行了模拟研究。高洋洋等[9]贝0通过模型试验和数值模拟的方法，研究了不等直径的串列双圆柱体的绕流现象，得到了单一涡脱落、双稳态脱落和双漩涡脱落3种尾流形态。目前双圆柱体绕流的数值模拟，大多在某

6、一雷诺数下针对某几种柱间距或直径比对尾流形态和作用力的影响规律进行研究，不能得到系统全面的分析结果。本文运用计算流体动力学的方法，选用等直径的串列双圆柱体模型，在多组雷诺数和柱间距工况组合条件下进行数值模拟，系统的分析了雷诺数和柱间距比对尾流流场形态、柱体表面压力系数分布、分离点位置以及斯特劳哈尔数等的影响，比较并讨论了双圆柱体绕流的干涉效应。1数值模拟1．1计算模型及参数本文选取的圆柱体直径D=0．034m，计算模型如图1和2所示。其整体长度为40D，宽为20D，两圆柱体C1和C2的中心距为G，上游柱体中心距离人口边界12D，拳表示圆柱体表面不同位置处与顺流向所成的夹

7、角。其中柱间距比G／D的变化范围为1．O～5．0，雷诺数RP的变化范围为200～1000，具体工况组合如表1所示。由于本文是通过设定初始流速的方式来控12期刘景伟，等：等直径串列双圆柱体绕流的数值模拟93———————————————————————————————————————————————一壁面Wall图l串列双圆柱体绕流计算模型Fig．1Computationalmodelofflowaroundtwotandemcircularcylinders止y豚、K够、、＼／＼／／一G一图2坐标体系及参数Fig．2Coordinates