三维瞬态圆柱绕流数值模拟

第 卷第 期 年 月 水雷战与舰船防护 一 , 三维瞬态圆柱绕流数值模拟 阂强利 , 张云海 中国船舶重工集团公 司第七 一 研 究所 , 湖北 宜昌 摘 要 采用 软件数值模拟均匀来流绕 固定回柱的三 维流动 , 模拟 雷诺 数 和 二 圆柱尾部流动分 离 、 涡街生成和脱落以及 随时间推移尾 涡 区非定常的发展过程 。 整个计算过程在 工 作站上进行 , 采用并行计算 。 计算结果明 在 时 , 圆柱尾部有规则的涡街 产生 在 。 时 , 圆柱尾部涡街呈现 出随机性和三 维性的特征 。 计算结果与实验结果吻合较好 。 对于高 雷诺数圆柱绕流 问 , 本文采用 模型进行 了初步尝试 , 结果表明可 以较好地模拟 出漩 涡脱落的基 本结构 , 为工 程应用提供 了依据 。 关键词 圆柱绕流 雷诺数 数值模拟 , , , , , , 一 , , , , , 一 , 引言 流体绕过圆柱型物体时 , 物体尾流左右两侧产 生的成对的 、 交替排列的 、 旋转方向相反的反对称 涡街 。 祸街是自然界中常见的一种现象 , 流体绕流 高大烟囱 、 高层建筑 、 电线 、 油管道和换热器的管 束时都会产生涡街 。 一个世纪以来圆柱绕流一直是 众多理论分析 、 实验研究及数值模拟对象 。 但迄今 对该流动现象物理本质的理解仍是不完整的 。 对圆柱绕流尾迹结构和特性的研究已有半个世 纪的历史 。 在实验方面 , 川最早在实验中发 现圆柱绕流存在与流场 数相关的 个不同的尾流 状态 , 吴剑 等应用粒子图像测速 系统对横流 中近壁水平圆柱绕流进行了试验研究 。 显示 了亚临 界雷诺数下间隙比为 时圆柱后尾流区旋涡产生 、 发展和消亡的动态过程 , 比较了时均流场和瞬时流 收稿日期 · · 水雷战与舰船防护 第 卷 场旋涡结构 。 流体力学问题中流场的复杂性与其控制方程的 高度非线性导致在许多一般性的问题上 , 直接求解 解析解存在相当大的数学困难 , 甚至有时几乎不可 能 。 近年来 , 随着计算方法和相关技术的不断改进 , 数值模拟在流体力学研究中发挥了越来越重要的作 用 。 徐元利 , 等 , 模拟雷诺数分别为 , , 时的绕流流动 , 得到流场的流函数等值线图和速度 矢量图 。 等用大涡模拟 模型对雷 诺数 。 的圆柱绕流问题进行了数值模拟 , 得到了圆柱尾部涡街的基本形态 。 本文利用商用 软件 , 对固定圆柱绕流进 行了三维数值模拟 , 模拟雷诺数 。分别为 , 并与实验结果进行了对比 。 对高雷诺数下的圆柱绕 流 , 本文采用 模型进行了初步的尝试 , 得到了 理想的结果 , 可以为应用提供良好的参考和依 据 。 数值模型与数值方法 模型 , 算法 。 图 流场区域 控制方程 对于不可压缩粘性流体 , 在直角坐标系下 , 其 运动规律受 方程控制 , 连续性方程和动量方程 分别为 夕兰乙 口 , 日 , 一下丁 下了一 少 , 日尸 日 一 ——十 —击 , 旅 ’ 压 。 刁 , 图 剖面网格 计算区域和边界条件 本文的计算区域如图 所示 , 以圆柱直径 为 特征长度 , 为了消除边界对圆柱周围流场的影响 , 上游取 , 下游 , 侧向 , 轴向 , 根 据尝试计算 , 以上区域的选择可 以满足计算要求 , 剖面网格如图 所示 。 数值算法 计算区域网格采用分块结构化网格 , 把计算区 域分为 块进行网格划分 , 网格总量 万 , 圆柱周 围的流场利用 求得 , 低雷诺数 , 采用 模型 , 压力速度祸合项采 用 算法 , 压力项离散采用二阶精度 , 动量离 散采用二阶迎风格式 。高雷诺数下的模型稍作修改 , 网格重新细化 , 网格总量约 万 , 计算采用 进口条件 速度进口 , 均匀流速 出口条件 充分发展的流动 四周围对称边界条件 圆柱为壁面 。 计算结果及分析 低雷诺数下的三维流动 本文首先采用层流模型对 。二 和 两个 不同雷诺数下的圆柱绕流问题进行了计算 , 时间步 长取为 △ 。 计算得到了 个不同雷诺数下的 升阻力系数变化的时程曲线 , 圆柱周围的流场速度 、 压力分布云图 、 流线 、 速度矢量图等 , 另外监测了 圆柱周围几个关心点的压力时程曲线的变化规律并 计算了 数等 。 第 期 阂强利 , 等 三维瞬态圈柱绕流数值模拟 图 显示了雷诺数为 和 两种情况下的 流场云图 。 如图所示 , 当绕流雷诺数 。 时 , 在圆柱体的后面产生了一对规则涡 , 形成了稳定的 祸街结构 , 并缓慢地脱落 , 逐渐消失在尾流当中 当 。 时 , 与 。 相比 , 最大的不同在于 圆柱后面的涡脱落不再那么规则 , 出现了随机性和 三维性的特征 。 圆柱体后面相邻 个涡之间的距离 明显增加 图 , 漩涡迅速淹没在尾流当中 , 在沿圆 柱轴向方向上流场不再具有一致性 图 。 图 选取了 二 时某一时刻圆柱周围 流体显示实验给出的流线图和数值仿真计算的速度 矢量图的对比 , 从图中可以明显地看出 , 在圆柱的 后方有涡在逐渐形成 , 较远的地方有一个孤立的脱 落的涡 , 仿真结果和 实验给出了较好的一致性 。 图 实验和仿真对比 图 剖面流场云图 , 水雷战与舰船防护 第 卷 升力系数的时程曲线也出现了明显的变化 , 在 。 时 , 计算时间到 时升力开始出现波动 , 到 时逐渐稳定 , 变化基本近似于正弦曲线 时 , 波动的产生比较快 , 却不存在稳定的幅值 , 整个升力系数的时程曲线呈现出“拍 ”的形状 见图 。 图 阻力系数时程曲线 伍 , 尺 阻力系数的时程曲线也有较大的不同 见图 , 从图上看 , 在 。 二 时阻力系数比 。 时有 略微的减小 。 从局部放大图来看 见图 , 阻力系 数在 。 时不但具有大周期还伴有小周期 , 这 与 。 时有根本的不同 , 这也从另一个方面证 实了随着雷诺数的增加 , 圆柱周围的流场在沿圆柱 轴向方向上的脱落逐渐出现了不同步 。 图 升力系数时程曲线 , 。 作为与实验对比的依据 , 对升力系数随时间的 振荡曲线进行了频谱分析 见图 , 得到了旋涡脱 落的频率 , 并有 户 。 , 计算得到了 数 , 结算结果和实验基本相符 表 。 表 仿真计算 数与实验对比 雷诺数 频率 实验值 图 阻力系数时程曲线局部放大 , 水雷战与舰船防护 第 卷 。﹃﹃﹃﹃﹃﹃﹃﹃ ︵生︶只田 时均阻力系数时程曲线如图 所示 。 从整体 图上可以看到 , 和低雷诺数下的阻力系数时程曲线 相比 , 此时的阻力系数时程曲线变化波动更加剧烈 。 从局部放大图来看 , 阻力系数时程曲线和低雷诺数 下的情况有了明显的变化 , 主要区别在于 和低雷 诺数时的阻力系数时程曲线相比 , 此时的阻力系数 时程曲线不但大周期不具有明显的正弦曲线变化规 律 , 就连小周期也变得杂乱无章 , 不再具有明显的 按正弦曲线变化的趋势 。 ———————————————————————————叫川一一 一一 一一一 —州月一一一 —州川 麒麒麒麒麒麒麒麒 卿卿卿卿卿卿卿卿 一一一一一一 一一一 一 一一一一一一 一一一一一一一 一一一 一 一一一 土 」」」 一一 ⋯ 一 一一 一 一 一 」 月 孤曰 厂一 已曰 ︵毛︶ 功 ‘ 一 一 一 一 巧 侧侧 时间 圈 尾涡中沿团柱轴向 个点压力时程曲线 时间 图 升力系数时程曲线 画画卿卿卿一一一一 嘟嘟喊 一一 一 下下 ’ 一一 丹‘ 报喊只嗽 ,‘心心众 从图 升力时程曲线上看 , 升力具有明显的 周期性 , 却完全不再具有稳定的脉动幅值 。 为了更 直观地研究升力系数的周期性 , 进一步对升力系数 随时间的振荡曲线进行了频谱分析 见图 , 从图 中可以看到 , 升力系数不再以单一频率振荡 , 而是 多个低频振荡的组合 。 时间 图 尾涡中一点 个方向速度时程曲线 玛 理 一一 刀刀刀刀刀 卜 一 一 一一一一一 一一一小 「「 一一一一一一一一一一一一一一一一一 匕 上 一一一一一 一 一 一 十 一 一 一一 一一一一一一一一一一一 一 一一 一一 甘甘甘甘耐 、 一 ⋯ 一 一 一一 一一一一一一一一一一 一一 习 匕 上 一一一一一一一一一一一 一 一一 而而而而而 二一一一 一 一一 一一一一一一一 一 一 卜 一 一 一 一 一一 一一一一一一一 一一 「一 一 一一 、、 入入入 ’ , “ 厂 丫 写 介、、、 从流场云图和涡量图上看 , 在较高雷诺数下 , 分离点的位置逐渐后移 , 大约在距离圆柱前驻点 的位置 。 从监测的圆柱尾涡中 个点的压力时 程曲线 图 上来看 , 由于监测点的位置都处在“ 回 流区”之中 , 均表现为负压 。 从监测的圆柱尾涡中一 点的速度时程曲线来看 , 在沿圆柱轴向方向上 附 方向 出现了明显的速度分量 图 , 圆柱尾涡脱 落具有强烈的三维特性 , 形成了破碎的小涡 图 。 频率 图 升力系数频率曲线 结论 本文采用分块划分结构化网格的方法 , 能够 较准确地计算圆柱表面涡的产生 、 发展和脱落的演 化过程 , 计算得到的升阻力系数和 数和文 献实验吻合较好 。 下转 页 水雷战与舰船防护 第 卷 ⋯⋯ ⋯⋯侧侧侧 六蛇州吸萦一一 少少少少少少 一 左弦螺旋浆浆 一一一一一一 舵舵 舵机的动作以及螺旋桨不再需要突变以后的螺 旋桨差分可是偏航角变化为 。 在转弯时会引起横 摇角 见图 , 但是利用左舷和右舷的辅助推力器 可对横摇角起到阻尼作用 见图 。 需要水平主推 力器进行偏航改变 , 同时保持不变的位置 。 转换到悬停模式后大约 控制器就可找到 所需的位置和姿态 。 在过渡的航向上 , 可通过控制 器管理从航行速度制动接近 速度 、 使航行器转向 以及接近正确位置 。 个例子展示出我们的单一的控制器结构能够 有效地完成十分不同的任务 。 图 停模式中的水平驱动器 即 匡里夔 ⋯ 结束语 提出了一种设计和模拟 的运动控制系统 的框架 。 主要目的一方面是减少研发任意航行器的 有效控制系统所需的时间 , 另一方面是实现不同的 控制其任务 。 为此 , 软件实现 控制算法 、 模拟 、 控制器设计工具组 完全与特定的航行器无关 。 此 外 , 在实现和设计过程中 , 与任务有关的特定部件 与主控制算法是分开的 。 钓加。刁翻 ︵岁︶琳泪拱 一 一 月】‘ 山 即 加 李凝 摘译自 , , 湘 洲 即 洲 月阅 幼 时间 圈 停模式中的推力器 闷闷 月即 上接 页 低雷诺数下 , 采用 模 型精度较高 , 完全满足工程的应用 。 在较高雷诺数下 , 利用并行计算能够捕获圆 柱绕流强烈的三维特性 。 采用 湍流模型 , 计算 精度较高 , 能够捕获尾涡的形态 。 但同时 , 模 型要求较为严格 , 计算收敛较为困难 , 计算非常耗 时 , 需要以牺牲较大的计算机内存和较多的时间为 代价 。 参考文献 〕 〔 , 吴剑 , 齐那荣 , 李炜 , 等 应用 系统研究横 流中近壁水平圆柱绕流旋涡特性【 水科学进 展 , , 徐元利 , 徐元春 , 梁兴 , 等 软件在回 柱绕流模拟中的应用 〕水利电力机械 , , , , 阂强利 , 陈建军 , 张云海 , 等 回柱系留体稳定 性试验 研究【 第十三届中国海洋工程学术讨 论会 ,