基于重叠网格与结构网格的圆柱绕流数值模拟
发布时间：2021-07-21 08:13
为研究重叠网格与结构网格在圆柱绕流数值模拟中的区别,以二维圆柱为例,利用有限元分析软件ANSYS 19.2中的DM与Mesh建立模型并划分重叠网格,利用ANSYS 19.2中的ICEM建立模型并划分结构网格。采用FLUENT 19.2中laminar模型模拟分析系统中的平均升力系数、平均阻力系数、斯特劳哈尔数St等流体动力特性。通过改变流体流速得到两种不同网格下各6组雷诺数Re,这6组雷诺数在60～160之间。结果表明:结构网格与重叠网格的St都随着Re的增加而增加,但相同雷诺数下重叠网格对应的St数值更大,St的增长速度更快;重叠网格与结构网格的平均升力系数与平均阻力系数随着Re的增加趋于稳定的速度都加快,但结构网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定的速度更快,且两种网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定速度的差距逐渐缩小,当Re=160时,两种网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定的速度几乎相同;当雷诺数在60～160之间时,采用重叠网格计算出来的斯特劳哈尔数比结构网格更加接近理论值;从升力功率谱密度分布曲线中可以看出,随着雷诺数的增加,两种网格下的频率逐渐变大,并且相同雷诺...
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
重叠网格下不同雷诺数的平均升力系数曲线Fig.5AverageliftcoefficientcurvesofdifferentReynoldsnumbersunderoversetgrids(d)Re=120(e)Re=140(f)Re=160
屏鞯?平均阻力系数减小，平均升力系数不等于0。本文采用的6种雷诺数分别为60、80、100、120、140、160，二维流场网格划分的数量为5万左右，分别对重叠网格下的流场与结构网格下的流场进行仿真模拟分析，得出两种网格在圆柱绕流数值模拟中的区别。2模型建立本模型尺寸如下：圆柱体直径为2m，流场模型的长为50m，宽为40m，重叠网格中的overset区域是直径为5.5m的圆。流场边界左右两端分别为速度入口和压力出口，上下两端均为壁面。具体数值水槽尺寸如图1所示。图1数值水槽构建Fig.1Constructionofnumericalsink3CFD理论3.1控制方程本文控制方程的离散方法采用有限体积法；重叠网格与结构网格的求解分别采用COUPLE耦合算法与PISO耦合算法；所研究流体域的介质是水，不可压缩。由质量守恒定律可得流体动力学的连续性方程为=0uvwxyzt(1)式中：u、v、w分别为速度矢量U在坐标方向x、y、z上的投影；ρ为流体的密度。3.2层流模型雷诺数(Re)是用来反映流体运动特征的参数，以2300为界，雷诺数大于2300为湍流，雷诺数小于2300为层流。本研究中的雷诺数均小于2300，故选层流模型。udRe(2)式中：d为钝体特征长度；μ为动力黏度。3.3初始条件与边界条件本文的边界条件为刚性壁面，因此排除了流固交界面之间的滑移情况。流体流入的速度分别设置为12m/s、16m/s、20m/s、24m/s、28m/s、32m/s，圆柱直径为2m，流体密度为1000kg/m3，流体黏度为0.4Pa·s，流场参考压强为1atm(标准大气压)?
884应用力学学报第37卷(a)全局图(globalgraph)(b)局部加密图(localrefinementgraph)图2结构网格划分Fig.2Structuralmeshing(a)背景区域(backgroundarea)(b)重叠区域(overlaparea)图3重叠网格划分Fig.3Oversetmeshing5结果分析5.1升力系数钝体绕流时，钝体会受到流体的阻力与升力。其中，阻力平行于流体流向，升力则垂直于流体流向。两者的系数分别是阻力系数CD和升力系数CL。DD2()12FtCuHD(4)LL2()12FtCuHD(5)式中：FD(t)和FL(t)分别为钝体受到的阻力和升力；u为无穷远处的流速；H为展向高度。图4、图5分别为结构网格与重叠网格下不同雷诺数的平均升力系数曲线。从图中可以看出，重叠网格与结构网格的平均升力系数随着Re的增加趋于稳定的速度都加快，但结构网格的平均升力系数趋于稳定的速度更快，且随着Re的增加，两种网格的平均升力系数趋于稳定速度的差距逐渐缩小，当Re=160时，两种网格的平均升力系数趋于稳定的速度几乎相同。5.2阻力系数图6为结构网格与重叠网格下不同雷诺数的平均阻力系数曲线。从图中可以看出，当流体流过圆柱体时，圆柱体所受到的阻力迅速升高，随着流体的稳定，圆柱体所受到的阻力迅速下降并在一定的数值范围内稳定下来。另外，重叠网格与结构网格的平均阻力系数随着Re的增加趋于稳定的速度都加快，但结构网格的平均阻力系数趋于稳定的速度更快，且随着Re的增加，两种网格的平均阻力系数趋于稳定速度的差距逐渐缩小，当Re=160时，两种网格的平均阻力系数趋于稳定的速度几乎相同。图4(a)Re=60图4(b)Re=80图4(c)Re
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于k-ε方法的三维圆柱绕流仿真分析[J]. 崔宜梁,王海峰,李蒙,孙凯利. 青岛大学学报(自然科学版). 2017(01)
[2]高雷诺数下有限长圆柱绕流阻力特性研究[J]. 赵萌,毛军,郗艳红. 机械工程学报. 2015(22)
[3]低雷诺数圆柱绕流特性的数值模拟[J]. 吴言超,陆晓峰. 大庆石油学院学报. 2011(05)
[4]重叠网格在船舶CFD中的应用研究[J]. 赵发明,高成君,夏琼. 船舶力学. 2011(04)
[5]低雷诺数圆柱绕流数值模拟及控制措施[J]. 白桦,李加武,夏勇. 建筑科学与工程学报. 2010(04)
[6]近壁圆柱绕流水动力特性数值模拟与实验研究[J]. 王国兴,孙万卿. 海洋工程. 2010(01)
[7]斜、直圆柱绕流的CFD模拟[J]. 李寿英,顾明. 空气动力学学报. 2005(02)
[8]圆柱绕流的非线性动力学[J]. 庆增. 力学进展. 1994(04)
本文编号：3294655
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
重叠网格下不同雷诺数的平均升力系数曲线Fig.5AverageliftcoefficientcurvesofdifferentReynoldsnumbersunderoversetgrids(d)Re=120(e)Re=140(f)Re=160
屏鞯?平均阻力系数减小，平均升力系数不等于0。本文采用的6种雷诺数分别为60、80、100、120、140、160，二维流场网格划分的数量为5万左右，分别对重叠网格下的流场与结构网格下的流场进行仿真模拟分析，得出两种网格在圆柱绕流数值模拟中的区别。2模型建立本模型尺寸如下：圆柱体直径为2m，流场模型的长为50m，宽为40m，重叠网格中的overset区域是直径为5.5m的圆。流场边界左右两端分别为速度入口和压力出口，上下两端均为壁面。具体数值水槽尺寸如图1所示。图1数值水槽构建Fig.1Constructionofnumericalsink3CFD理论3.1控制方程本文控制方程的离散方法采用有限体积法；重叠网格与结构网格的求解分别采用COUPLE耦合算法与PISO耦合算法；所研究流体域的介质是水，不可压缩。由质量守恒定律可得流体动力学的连续性方程为=0uvwxyzt(1)式中：u、v、w分别为速度矢量U在坐标方向x、y、z上的投影；ρ为流体的密度。3.2层流模型雷诺数(Re)是用来反映流体运动特征的参数，以2300为界，雷诺数大于2300为湍流，雷诺数小于2300为层流。本研究中的雷诺数均小于2300，故选层流模型。udRe(2)式中：d为钝体特征长度；μ为动力黏度。3.3初始条件与边界条件本文的边界条件为刚性壁面，因此排除了流固交界面之间的滑移情况。流体流入的速度分别设置为12m/s、16m/s、20m/s、24m/s、28m/s、32m/s，圆柱直径为2m，流体密度为1000kg/m3，流体黏度为0.4Pa·s，流场参考压强为1atm(标准大气压)?
884应用力学学报第37卷(a)全局图(globalgraph)(b)局部加密图(localrefinementgraph)图2结构网格划分Fig.2Structuralmeshing(a)背景区域(backgroundarea)(b)重叠区域(overlaparea)图3重叠网格划分Fig.3Oversetmeshing5结果分析5.1升力系数钝体绕流时，钝体会受到流体的阻力与升力。其中，阻力平行于流体流向，升力则垂直于流体流向。两者的系数分别是阻力系数CD和升力系数CL。DD2()12FtCuHD(4)LL2()12FtCuHD(5)式中：FD(t)和FL(t)分别为钝体受到的阻力和升力；u为无穷远处的流速；H为展向高度。图4、图5分别为结构网格与重叠网格下不同雷诺数的平均升力系数曲线。从图中可以看出，重叠网格与结构网格的平均升力系数随着Re的增加趋于稳定的速度都加快，但结构网格的平均升力系数趋于稳定的速度更快，且随着Re的增加，两种网格的平均升力系数趋于稳定速度的差距逐渐缩小，当Re=160时，两种网格的平均升力系数趋于稳定的速度几乎相同。5.2阻力系数图6为结构网格与重叠网格下不同雷诺数的平均阻力系数曲线。从图中可以看出，当流体流过圆柱体时，圆柱体所受到的阻力迅速升高，随着流体的稳定，圆柱体所受到的阻力迅速下降并在一定的数值范围内稳定下来。另外，重叠网格与结构网格的平均阻力系数随着Re的增加趋于稳定的速度都加快，但结构网格的平均阻力系数趋于稳定的速度更快，且随着Re的增加，两种网格的平均阻力系数趋于稳定速度的差距逐渐缩小，当Re=160时，两种网格的平均阻力系数趋于稳定的速度几乎相同。图4(a)Re=60图4(b)Re=80图4(c)Re
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于k-ε方法的三维圆柱绕流仿真分析[J]. 崔宜梁,王海峰,李蒙,孙凯利. 青岛大学学报(自然科学版). 2017(01)
[2]高雷诺数下有限长圆柱绕流阻力特性研究[J]. 赵萌,毛军,郗艳红. 机械工程学报. 2015(22)
[3]低雷诺数圆柱绕流特性的数值模拟[J]. 吴言超,陆晓峰. 大庆石油学院学报. 2011(05)
[4]重叠网格在船舶CFD中的应用研究[J]. 赵发明,高成君,夏琼. 船舶力学. 2011(04)
[5]低雷诺数圆柱绕流数值模拟及控制措施[J]. 白桦,李加武,夏勇. 建筑科学与工程学报. 2010(04)
[6]近壁圆柱绕流水动力特性数值模拟与实验研究[J]. 王国兴,孙万卿. 海洋工程. 2010(01)
[7]斜、直圆柱绕流的CFD模拟[J]. 李寿英,顾明. 空气动力学学报. 2005(02)
[8]圆柱绕流的非线性动力学[J]. 庆增. 力学进展. 1994(04)
本文编号：3294655
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3294655.html
