方柱擾流數(shù)值模擬_圖文

1、流動與傳熱的數(shù)值模擬技術(shù)課程報告方柱繞流的數(shù)值模擬學(xué)院： 姓名：學(xué)號：1.方柱繞流的數(shù)學(xué)模型本流動問題的介質(zhì)是液態(tài)水，為粘性流體層流流動，符合N-S方程，即：=FgradP+2V2.方柱繞流的幾何建模取該模型為二維模型。流場整體尺寸如圖所示：該流場是100mm×40mm的矩形，中間是邊長為6mm的方柱。其中方柱離出口20mm，離上下邊界都是17mm。在該流場的基礎(chǔ)上進行數(shù)值模擬。3.邊界條件該方柱繞流模型的邊界條件分別為Fluent中的速度入口velocity-inlet和壓力出口pressure-outlet，壁面條件為無滑移壁面條件WALL。以此來進行數(shù)值模擬。4.網(wǎng)格劃分本模型

2、是利用ICEM來進行網(wǎng)格的劃分。其中劃分的步驟如圖所示：作為專業(yè)的前處理軟件ICEMCFD為所有世界流行的CAE軟件提供高效可靠的分析模型。它擁有強大的CAD模型修復(fù)能力、自動中面抽取、獨特的網(wǎng)格“雕塑”技術(shù)、網(wǎng)格編輯技術(shù)以及廣泛的求解器支持能力。同時作為ANSYS家族的一款專業(yè)分析環(huán)境，還可以集成于ANSYS Workbench平臺, 獲得Workbench的所有優(yōu)勢。ICEM作為fluent和CFX標(biāo)配的網(wǎng)格劃分軟件，取代了GAMBIT的地位。ICEM因其良好的操作界面、豐富的幾何接口、完善的幾何功能、靈活的拓?fù)鋭?chuàng)建、先進的O型網(wǎng)格技術(shù)、豐富的求解器接口等優(yōu)勢，越來越被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)可。在I

3、CEM中畫出所用幾何模型，并進行網(wǎng)格劃分。通過block的方法對方柱周圍的網(wǎng)格進行加密處理，以獲得更加精確的模擬結(jié)果。其劃分結(jié)果如下：5.fluent求解5.1定義網(wǎng)格打開FLUENT，選擇二維求解器。打開生成的網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格質(zhì)量。Minimum Volume大于0.定義網(wǎng)格單位。在Grid Was Created In下拉列表中選擇mm，單擊Scale。5.2 定義求解模型模型為Viscous-Laminar。該流動問題為不可壓縮流動。因此不勾選Energy Equation復(fù)選框。定義材料。本材料為水。5.3定義邊界條件左邊邊界為進口邊界設(shè)為velocity-inlet，最右邊邊界為出口邊

4、界設(shè)為pressure-outlet，其余邊界為wall。求解方法為PISO二階迎風(fēng)格式。5.4計算根據(jù)作業(yè)題目要求，在雷諾數(shù)0-200之間選擇雷諾數(shù)為40、80、120、160四種情況來進行計算。根據(jù)雷諾數(shù)定義(1式中： 是平均流速（國際單位：m/s）；D管直徑（一般為特征長度）(m；流體動力黏度（Pa·s或N·s/m²）；運動黏度；流體密度（kg/m³）；Q體積流量（m³/s）；A橫截面積（m²） 。圓柱擾流的無量綱頻率為0.2，為了準(zhǔn)確抓住渦脫落周期現(xiàn)象，在一個渦脫落周期內(nèi)至少需要2025個時間步長。Sr=0.2=f×

5、D/U (2 式（3）t=1/f/(2025 (3本例中，=998.2kg/m3，D=0.02m，=0.001003kg/m·s，根據(jù)式（2）算得的入口速度和Time Step Size見表1。表1 各雷諾數(shù)對應(yīng)的入口速度和時間步長雷諾數(shù)1601208040入口速度U（m/s）0.0084330.0060420.0040280.0023152Time Step Size（s）0.4816840.6620320.9930491.5923146.計算結(jié)果及分析6.1雷諾數(shù)為40的計算結(jié)果如下圖：速度分布圖壓力分布圖渦量分布圖在雷諾數(shù)為40時，兩側(cè)對流呈對稱狀，沒有相互的干擾。沒有出現(xiàn)卡門

6、渦街現(xiàn)象。從速度分布圖中我們可以看到在方柱迎向水流的兩側(cè)尖角處及延伸階段速度最大，這是由于過流面積突然減小水流流速加快。在方柱迎向水流方向棱上壓力最大。渦量兩側(cè)對稱分布，沒有發(fā)生干擾。6.2雷諾數(shù)為80的計算結(jié)果速度分布圖壓力分布圖渦量分布圖在雷諾數(shù)為80時，速度分布圖的尾流出現(xiàn)擺動的渦街，側(cè)壁流速減緩是因為粘性阻力作用，對流體產(chǎn)生阻力。壓力和渦量分布產(chǎn)生輕微的不均勻現(xiàn)象。6.3雷諾數(shù)為120的計算結(jié)果速度分布圖壓力分布圖渦量分布圖6.4雷諾數(shù)為160時的計算結(jié)果速度分布圖壓力分布圖渦量分布圖渦量為120、160時，漩渦不斷增長，擺動加強，不穩(wěn)定的對稱旋渦破碎時，會形成周期性的交替脫落的卡門渦街?？ㄩT渦街大多數(shù)情況下是不穩(wěn)定的。通過渦量分布圖也很容易觀察到。7.分析雷諾數(shù)為40的時候方柱兩側(cè)的尾流呈對稱狀沒有相互干擾，沒有出現(xiàn)卡門渦街。雷諾數(shù)為80的時候速度分布圖的尾流出現(xiàn)擺動的渦街，壓力和渦量分布圖呈現(xiàn)輕微的不對稱。方柱壁面附近的尾流呈現(xiàn)不對稱性,一側(cè)的尾流回流對另一側(cè)的尾流的回流有較弱的干擾作用,伴隨著周期性的渦