振荡流下带圆角单柱体绕流特性数值研究
发布时间：2021-11-03 07:57
为研究带圆角柱体在非均匀流场中的水动力特性,基于流体动力学计算软件Fluent,运用层流模型对振荡流（Re=160,KC=7）下带圆角单柱体的绕流问题进行二维数值模拟研究,分析来流攻角和圆角半径两个参数对柱体尾涡结构和流体力系数的影响,并揭示其流体运动机理。研究发现:来流攻角和圆角半径的变化均会对柱体结构的流场特性和流场力系数影响显著;同时,不同来流攻角下,圆角半径的影响程度会发生改变。当α=0°与R+≤0.2时,升力系数时程曲线呈现拍频现象,且其FFT谱会存在主次频;此外,当来流攻角增大时,升力系数的脉动性会增强。当α≤22.5°时,惯性力系数起主导作用,而当α>22.5°时,拖曳力系数起主导作用。
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2020,35(06)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
计算模型和全局网格Fig.1Computationalmodelandglobalgrid
涂佳黄，等：振荡流下带圆角单柱体绕流特性数值研究783算域网格划分在柱体中心区域进行十字加密，其加密区域为2D×2D，如图1(b)所示。图2为不同工况下柱体结构附近的网格示意图。柱体1D范围内采用O型网格划分，径向层数为35层，四周总节点数为480，网格总数约12万。为保证Y+小于1，柱体表面的第一层网格厚度取为0.02D。图1计算模型和全局网格Fig.1Computationalmodelandglobalgrid图2不同工况下柱体结构边界层网格示意图Fig.2Schematicdiagramoftheboundarylayergridofthecolumnstructureunderdifferentcases2.1网格独立性验证本节分析了时间步长、柱周总节点数、边界层第一层高度及网格分辨率对单方柱体结构的拖曳力系数和惯性力系数的影响。由表1可知，时间步长和柱周节点数对拖曳力系数的影响较小，误差率在1.94%-2.38%和-0.29%-0.33%。然而，对惯性力系数的影响较大，误差率在-15.93%--15.73%和7.5%-9.4%。边界层第一层高度对两者影响较小，误差率在1.25%-1.63%和0.34%-0.85%。在保证计算精度的前提下，考虑计算时间和计算资源，本文所有算例均选用Mesh1网格模型，时间步长为0.005s。2.2算例验证本文为研究数值方法对柱体绕流问题的适用性，对振荡流下单圆柱体绕流进行了研究并与文献结果进行对比。表2给出了单圆柱体在两组Re-KC数组合下的拖曳力系数和惯性力系数值。本文的数据采样时间均为稳定后的10个周期。计算结果与已有文献数据进行对比，由表2可知，在Re=100和KC=5时本文结果除与文献[10]略有差异外，与其他学者的结果均非常吻合；在Re=200和KC=10时本文结果与文献[10-11]给出的
784水动力学研究与进展A辑2020年第6期表2不同工况下单圆柱体的拖曳力系数和惯性力系数Table2DragcoefficientandinertiacoefficientofsinglecylinderunderdifferentcasesRe=100,KC=5Re=200,KC=10CDCMCDCMDütsch等[11]2.092.451.81-1.842.02-2.04Nehari等[12]2.102.43——Uzunoglu等[13]2.102.45——Zhao等[10]2.042.481.812.03本文结果2.092.451.842.03图3(网上彩图)不同尾流位置处顺流向和横流向速度分布Fig.3(Coloronline)Velocitydistributionindownstreamandtransversedirectionsatdifferentwakepositions图4(网上彩图)1个周期内不同时刻的涡量图对比Fig.4(Coloronline)Comparisonofvorticityatdifferenttimesinacycle3.1流场特性分析本节分析了不同圆角半径(R+=0.0-0.5)与来流攻角(α=0°-45°)工况下柱体结构附近同一时刻涡量图。随着圆角半径和来流攻角的改变，柱体漩涡的形成、发展和脱落的形式会发生变化，其尾流涡街长度和方向也会有较大改变。图5给出了当α=0°时，带圆角柱体附近尾流模式随圆角半径的变化情况。通过各柱体的瞬时涡量图可以看出，当R+≤0.4，柱体两侧产生的漩涡均关于y轴对称。当圆角半径R+≤0.2时，不同圆角半径下的瞬时涡量图相似且两侧漩涡脱落呈“C”字型模式，这种脱落模式是因柱体受振荡流作用时，柱体前后两侧的上剪切层向柱体上方卷起所导致。此外，各柱体在振荡流作用下，柱体两侧沿顺流向方向均会形成涡街。随着圆角半径R+增大至0.3，柱体表面尖角处变光滑；柱体的漩涡脱落模式受到圆角的影响而发生显著变化，从“C”字型的漩涡脱落模式转变为倒“V”字型的漩涡脱落模式，此现
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同倒角半径柱体绕流数值模拟及水动力特性分析[J]. 于定勇,赵建豪,黄东燕,钟延超. 海洋工程. 2018(05)
[2]圆柱振荡流中的斜向涡街[J]. 戴光清,LAM K M. 水动力学研究与进展（A辑）. 2003(02)
本文编号：3473329
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2020,35(06)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
计算模型和全局网格Fig.1Computationalmodelandglobalgrid
涂佳黄，等：振荡流下带圆角单柱体绕流特性数值研究783算域网格划分在柱体中心区域进行十字加密，其加密区域为2D×2D，如图1(b)所示。图2为不同工况下柱体结构附近的网格示意图。柱体1D范围内采用O型网格划分，径向层数为35层，四周总节点数为480，网格总数约12万。为保证Y+小于1，柱体表面的第一层网格厚度取为0.02D。图1计算模型和全局网格Fig.1Computationalmodelandglobalgrid图2不同工况下柱体结构边界层网格示意图Fig.2Schematicdiagramoftheboundarylayergridofthecolumnstructureunderdifferentcases2.1网格独立性验证本节分析了时间步长、柱周总节点数、边界层第一层高度及网格分辨率对单方柱体结构的拖曳力系数和惯性力系数的影响。由表1可知，时间步长和柱周节点数对拖曳力系数的影响较小，误差率在1.94%-2.38%和-0.29%-0.33%。然而，对惯性力系数的影响较大，误差率在-15.93%--15.73%和7.5%-9.4%。边界层第一层高度对两者影响较小，误差率在1.25%-1.63%和0.34%-0.85%。在保证计算精度的前提下，考虑计算时间和计算资源，本文所有算例均选用Mesh1网格模型，时间步长为0.005s。2.2算例验证本文为研究数值方法对柱体绕流问题的适用性，对振荡流下单圆柱体绕流进行了研究并与文献结果进行对比。表2给出了单圆柱体在两组Re-KC数组合下的拖曳力系数和惯性力系数值。本文的数据采样时间均为稳定后的10个周期。计算结果与已有文献数据进行对比，由表2可知，在Re=100和KC=5时本文结果除与文献[10]略有差异外，与其他学者的结果均非常吻合；在Re=200和KC=10时本文结果与文献[10-11]给出的
784水动力学研究与进展A辑2020年第6期表2不同工况下单圆柱体的拖曳力系数和惯性力系数Table2DragcoefficientandinertiacoefficientofsinglecylinderunderdifferentcasesRe=100,KC=5Re=200,KC=10CDCMCDCMDütsch等[11]2.092.451.81-1.842.02-2.04Nehari等[12]2.102.43——Uzunoglu等[13]2.102.45——Zhao等[10]2.042.481.812.03本文结果2.092.451.842.03图3(网上彩图)不同尾流位置处顺流向和横流向速度分布Fig.3(Coloronline)Velocitydistributionindownstreamandtransversedirectionsatdifferentwakepositions图4(网上彩图)1个周期内不同时刻的涡量图对比Fig.4(Coloronline)Comparisonofvorticityatdifferenttimesinacycle3.1流场特性分析本节分析了不同圆角半径(R+=0.0-0.5)与来流攻角(α=0°-45°)工况下柱体结构附近同一时刻涡量图。随着圆角半径和来流攻角的改变，柱体漩涡的形成、发展和脱落的形式会发生变化，其尾流涡街长度和方向也会有较大改变。图5给出了当α=0°时，带圆角柱体附近尾流模式随圆角半径的变化情况。通过各柱体的瞬时涡量图可以看出，当R+≤0.4，柱体两侧产生的漩涡均关于y轴对称。当圆角半径R+≤0.2时，不同圆角半径下的瞬时涡量图相似且两侧漩涡脱落呈“C”字型模式，这种脱落模式是因柱体受振荡流作用时，柱体前后两侧的上剪切层向柱体上方卷起所导致。此外，各柱体在振荡流作用下，柱体两侧沿顺流向方向均会形成涡街。随着圆角半径R+增大至0.3，柱体表面尖角处变光滑；柱体的漩涡脱落模式受到圆角的影响而发生显著变化，从“C”字型的漩涡脱落模式转变为倒“V”字型的漩涡脱落模式，此现
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同倒角半径柱体绕流数值模拟及水动力特性分析[J]. 于定勇,赵建豪,黄东燕,钟延超. 海洋工程. 2018(05)
[2]圆柱振荡流中的斜向涡街[J]. 戴光清,LAM K M. 水动力学研究与进展（A辑）. 2003(02)
本文编号：3473329
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3473329.html
