后台阶流动.docxVIP

后台阶流动的数值模拟 一、问题简介 我们考虑如下图一的二维后台阶流动，流动经过一个台阶向后流动，台阶前管道高65mm，管道后高为115mm。空气以一定的速度从左边入口流入，气流会在台阶后发展为复杂的流动。这是一个经典的流体力学问题，在雷诺数不同的情况下，回流涡的形态会发生变化，上壁可能出现分离涡。我对不同雷诺数下的流动进行了数值模拟，并对计算所得流场进行了比较和分析。 图一 二、文献综述 在自然界和人们的生活之中，像后台阶分离再附这样的流动处处可见。如河道的突然变宽，小河汇入大江的入口处等等。而且，很多的复杂的湍流的流场中同时也包含了像后台阶这样的流动结构，后台阶流动作为是湍流研究的热点一直以来都深受广大研究人员和学者们的青睐。 如图二，湍流后台阶流中，经过台阶上游的平板形成了湍流边界层，在下游遇到了后向台阶。由于几何形状的极速变化，导致流动的突然膨胀，使得湍流边界层在台阶的分离点处分离。在台阶处分离后，由于紧随分离后上下两侧的速度不同，形成自由剪切层，而此自由剪切层随着流动向下游发展，在发展过程中会在某一位置与壁面碰撞，碰撞后形成新的附面层，而碰撞之前的区域则形成了封闭回流区。回流区存在一个旋转的大结构涡，而在大结构涡的前方的区域内存在着一个逆向旋转小涡。由于该流动是非定常的，随着时间的变化，流动的再附位置也是变化的，再附区就是再附点位置的变化范围，定义在时间上平均的再附点位置附近的某个区域即为流动的再附点。再附后下游边界层再次发展，恢复湍流边界层状态。 后台阶绕流所产生的涡结构，以及涡结构之间的相互影响与作用，对于在湍流中出现的如湍动能、湍流应力和自由剪切层的生成增长以及主要来流的运动都有着重大的影响。 图二 在以往的研究中有一些已知的结果，层流和湍流状态下，台阶下游均会形成大小不同的稳定的回流区；回流区内均存在比较规则的回流涡，涡尺寸与台阶高度为同一量级，但湍流时的回流涡尺寸大于层流时的回流涡尺寸。两种流态的明显不同之处则在于湍流时台阶内角区出现了二次回流，称为内角诱导涡，层流时在台阶内角处无二次回流现象，但在台阶后的上壁面处出现二次回流现象，称为上壁分离涡。具体来说，低雷诺数（Re450）时，不存在上壁分离涡；当Re450以后，上壁分离涡出现，在450Re1200范围内，上壁分离涡的起始位置渐渐往后推移，在雷诺数达到1200时，推移到最远位置，回流区长度基本不变；当Re1200时，流动进入过渡流状态，上壁分离涡的起始位置不断前移，回流区的长度变化不大；当Re3800之后，随着雷诺数的增加，上壁分离涡的起始位置基本保持不动或略有后移，但其结束位置持续前移，整个回流区长度持续减小，直到雷诺数达到6600时，上壁分离涡消失。 三、网格划分 本次数值模拟中，我学习了如何使用ICEM划分结构化网格。首先创建几何模型如图三所示。然后创建块，使用Blocking选项卡中的Create Block功能创建一个2D Planar块，将块分割裁剪为与几何模型拓扑构造相同的结构（如图四），再将几何模型与块的点和线一一对应。这样，当我们对块划分结构化网格时，几何模型上也就相应产生了结构化的网格。对台阶处的网格放大进行观察，如图五，可以看到网格非常整齐，这样有利于提高Fluent的计算速度与收敛速度。考虑到台阶后流动情况复杂，可能在相当一段距离内不能恢复稳定从而影响到出口边界条件，管道长度设为高度10倍，而入口附近流动稳定，足以使流动充分发展，故不需要加长，最终划分了44253个网格。 图三 图四 图五 四、计算设置 （一）材料设置 腔体设为铝材，内部流体设为空气，密度为1.225kg/m3，动力学粘度μ=1.8×10-5kg/(m?s)。 （二）边界条件 上下两边界以及台阶界面设为固定的无滑移边界条件；左侧入口设为速度入口，速度可根据需要改变，初始设为0.1m/s；右侧出口设为outflow，保证流入流出质量守恒。 （三）方程 假设管道处于绝热状态且温度均匀，不加入能量方程。根据雷诺数，在入口流速1m/s以下时认为处于层流状态，不加入湍流方程，1m/s及以上时使用Realizable k-epsilon湍流模型。 （四）计算设置 使用基于压力的simple方法，压力、动量、湍动能和湍流耗散均使用二阶迎风格式。停止计算的残差设为10-5，计算步数10000步。6000步左右后达到要求自动停止迭代。 五、计算结果 利用Fluent自带的后处理功能，画出各情况下的流线图和速度矢量图 （一）0.1m/s (Re=340) 仅有回流涡 （二）0.3m