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《垂直交叉双圆柱绕流数值模拟及涡结构分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第23卷第1期空气动力学学报Vol.23,No.12005年03月ACTAAERODYNAMICASINICAMar.,2005文章编号:025821825(2005)0120029206垂直交叉双圆柱绕流数值模拟及涡结构分析邓见,任安禄,邹建锋(浙江大学力学系,浙江杭州310027)摘要:用分块耦合方法数值模拟了垂直交叉双圆柱绕流,两圆柱间距为圆柱直径的5倍,所取雷诺数为200。在交叉结构的中心流场比较复杂,用λ2方法准确地描述了其中的三维涡结构,发现上游圆柱规则的卡门涡街被下游圆柱截断成复杂的缠绕结构。与串列双圆柱相比,垂直交叉双圆柱
2、绕流上下圆柱的升阻力特性、Strouhal数等都呈现出许多不同的特点,下游圆柱升力振幅小于上游圆柱,阻力平均值大于上游圆柱。本文旨在模拟出这种特定间距下的流场涡结构以及圆柱升阻力特性。关键词:垂直交叉双圆柱绕流;三维涡结构分析;分块耦合算法中X图分类号:O357.1文献标识码:A0引言1物理模型对于双圆柱绕流问题,有大量的文献资料[5]进行本文数值计算的几何模型如图1所示,竖直圆柱放置在来流方向的上游,水平圆柱放置在来流方向的研究,但是它们局限于并列、串列或交错放置的情况,下游,两圆柱都刚性固定,它们之间间距L=5D,其这些位置下数值求解
3、可以简化为平面模型,而垂直交中D为圆柱直径,两圆柱直径相同。坐标原点取在叉放置的双圆柱绕流数值模拟很少有人涉及,只有一些实验数据可供参考。对于垂直交叉双圆柱绕流问题,有学者进行过实验研究(文献[1]～[4]),Fox和Toy(1988,1990,1991)4通过风洞实验,取Re=2×10,测量圆柱表面压力和流场速度,分析了垂直交叉双圆柱绕流中心区域的流动现象,文献中指出会出现两种基本的流动结构,这两种结构以3倍直径间距为临界间距。Zdravkovich(1983,1985)研究了交叉放置双圆柱(a)几何模型表面流动结构,认为整个垂直交叉的
4、流场可以划分为两个特征区域,它们是:外区,这里的流动同典型的单圆柱绕流相似;内区,这是接近交叉区中心位置的高度三维性质的流场。内区被强烈的二次流所主导。本文力求用分块耦合的差分求解方法,数值模拟出两圆柱间距为5倍直径下的空间垂直交叉放置双圆柱绕流流场的结构,这个间距大于实验所得到的临界间距。参照实验结果给出一些对应物理量的描述,(b)区域分块以及升阻力系数等宏观量的频谱分析,和整个流动区图1几何模型与计算区域分块图域涡结构的描述。Fig.1ModelgeometryanddomaindecompositionX收稿日期:200420121
5、1;修订日期:2004204219.基金项目:国家自然科学基金资助项目(批准号:10272094)作者简介:邓见(19812),男,湖南常宁人,浙江大学力学系流体所博士生,计算流体力学方向.30空气动力学学报第23卷上游圆柱的中心位置,x轴与来流方向平行,y方向3计算结果分析与下游圆柱平行,z方向与上游圆柱平行,具体坐标方向如图1(a)所示。本文的计算是在Re=200条件下进行的,而大多数实验研究都在大Re数下进行,但是伴随涡脱落的2数值方法描述大尺寸尾流在一些方面对于低Re数和高Re数流动2.1控制方程差分离散及边界条件呈现相似的特征。
6、低雷诺下圆柱绕流的流场结构比较清晰,易于观察尾涡的三维结构,方便将重点放在本文采用原始变量法求解粘性不可压缩N2S方交叉结构的分析上。程(无量纲形式)。采用压力泊松方程提法计算压力。为了克服计算过程中连续性余量随着计算时间步的3.1下游圆柱表面压力系数分析推进逐渐增大的困难,用Harlow的连续性余量修正为了分析下游圆柱受上游圆柱的影响,对下游圆项加以修正。表达式中各系数的含义可参见文献[8柱表面周向压力系数做时间平均,并沿轴线方向截取～10]。了6个平面,结果表示在图2中。从中可以看到层流动量方程为时间发展型方程,因此空间上可以采边界层
7、的发展,流体从速度滞止点开始加速,到达一[6]用物理量隐式求导的高精度紧致差分格式进行离定位置流体开始减速,最后压力系数趋于常值,分离散,其中对流项我们采用三阶迎风紧致格式离散,耗就发生在压力系数趋于常值的这个区域。50°左右有散项中的一阶偏导数项采用四阶中心紧致格式加以个分界点,在这个分界点前,圆柱的周向压力系数随逼近。压力泊松方程及相应的纽曼边界条件采用常着y的增大而增大,在这个分界点后情况正好相反。规的二阶精度格式加以离散,每个时间步进行迭代求解。垂直交叉双圆柱结构放置在一方型管道内,圆柱表面和管壁均采用无滑移边界条件。入口面x方向
8、的速度取抛物线型。出口面采用速度无反射边界条→→件5u/5t+ua5u/5n=0,式中ua为出口平均速度,n为出流边界外法线方向。压力在边界上提满足压力相容性条件的纽曼边界条件。2.2计算区域
