方腔拖曳流.docxVIP

方腔拖曳流的数值模拟一、问题简介与方法概述我们考虑一个二维的方腔拖曳流，即在一个边长为0.1米的正方形二维空腔中充满空气，其顶板以一定的速度向右移动，同时带动方腔内流体流动。已知空气的密度为1.225kg/m3，动力学粘度μ=1.8×10-5kg/(m?s)。计算区域如图1所示。顶板移动速度为0.1m/s时，雷诺数为，属层流状态。 这是一个经典的流体力学问题，在雷诺数不同的情况下，流场内会出现数量不等的涡。我使用了三种不同的网格，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比较和分析，体会了网格划分对数值模拟的影响以及雷诺数对方腔拖曳流的影响。二、网格划分网格1：lid_driven_flow1.msh均匀的结构化网格，网格数为13689网格2：lid_driven_flow2.msh边缘加密的结构化网格，网格数为9801网格3：lid_driven_flow2.msh均匀的结构化网格，网格数为2401三、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 顶盖边界设为无滑移Moving Wall，速度可根据需要改变，初始设为0.1m/s。（三）方程 方腔处于绝热状态且温度均匀，不加入能量方程。简单起见，假设流动均为层流状态，也不加入湍流方程。（四）计算设置 停止计算的残差设为10-6，计算步数1000步。1000步后残差基本保持在10-4～10-6左右，可以认为基本已收敛。四、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（一）网格1u=0.1m/s，Re=680.5 u=0.2m/s，Re=1361 u=0.5m/s，Re=3402.5 u=1m/s，Re=6805（二）网格2 u=0.1m/s，Re=680.5 u=0.2m/s，Re=1361 u=0.5m/s，Re=3402.5 u=1m/s，Re=6805（三）网格3 u=0.1m/s，Re=680.5 u=0.2m/s，Re=1361 u=0.5m/s，Re=3402.5 u=1m/s，Re=6805五、结果分析 通过查阅文献[1]以及三个网格之间的互相比较，可以认为三种网格的计算结果都是比较可信的。雷诺数在680和1361时。方腔中存在一个主漩涡和两个次生漩涡，主漩涡位于中心略偏右上角且雷诺数越大越靠近中心，右下角的次生漩涡比左下角的次生漩涡大。雷诺数达到3400时，流动由一个主漩涡和三个次生漩涡组成，左上角也出现了一个涡。雷诺数达到6800时，流动由一个主漩涡和三个次生漩涡以及右下角的一个三阶漩涡组成，主漩涡已基本位于方腔中心，次生漩涡也随着雷诺数增大而增大。 在网格1、2计算结果的比较中，网格2对拐角附近的次生漩涡以及更高阶的漩涡刻画更为细致，而中央主涡尺度较大，所以网格2在中央部分较为稀疏的缺陷完全可以接受，我认为网格2要优于网格1。不过网格2需要计算到大约2000步才能收敛，而网格1仅需1000步，这也是网格1的一大优势。此外，网格3在雷诺数680、1361、3400时均能完整得到流场的分布，但在雷诺数6800时无法算出右下角的三阶漩涡，这是由于网格尺寸太大因而无法刻画小尺度的流动现象。可见随着流动越来越复杂、漩涡尺度越来越小，对网格的要求也就越来越高，网格的建立对流动模拟有至关重要的影响。参考文献[1]靳旭红,程晓丽. 二维不可压方腔驱动流的数值研究[A]. 北京力学会.北京力学会第20届学术年会论文集[C].北京力学会:,2014:3.