基于浸入式边界方法的串联双矩形柱绕流数值模拟-物理学报.PDFVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 21 (2014) 214702 基于浸入式边界方法的串联双矩形柱绕流 数值模拟 杨青 曹曙阳 刘十一 (同济大学土木工程防灾国家重点实验室, 上海 200092) ( 2014 年4 月25 日收到; 2014 年6 月5 日收到修改稿) 基于浸入式边界算法(Virtual Boundary Method) 中力源反馈边界的思想, 改进其原有内部流体处理方 法以减少计算耗费, 并结合非等间距网格以便工程应用计算, 模拟雷诺数范围内( —10 ) 串联双矩 形柱绕流, 研究表明: —300 时, 前柱尾流涡脱处于双剪切层控制阶段; 柱间涡街为Karman 类涡街, 在小间距条件下被抑制, 形成涡环; 前柱对后柱屏蔽效应体现为后柱阻力系数远小于前柱; 临界间距时柱间涡 街充分发展, 后柱阻力系数等气动参数亦在此发生跃升, 但仍小于前柱值; 随雷诺数升高, 尾流涡街尺寸缩小, 临界间距及跃升幅度变小. 时, 前柱尾流涡脱进入冲击剪切层控制阶段, 阻力系数不再呈现规律性 振荡; 此后随雷诺数升高, 冲击剪切层逐步完善, 前柱流动分离使其表面产生更多附着涡, 导致尾流旋涡尺寸 进一步减小, 屏蔽效应消失, 涡脱更为剧烈, 进而对后柱产生脉动冲击效应; 适当间距比条件下此类脉动冲击 效应使得后柱阻力系数发生跃升, 并略高于前柱. 关键词: 浸入式边界算法, 串联双矩形柱, 屏蔽效应, 临界间距 PACS: 47.11.–j, 47.27.ek, 47.15.Tr, 47.32.cd DOI: 10.7498/aps.63.214702 布置临界间距与并联偏流均能较好地符合实验结 [7] 3 4 1 引 言 果. Liu 等 在雷诺数2 10 16 10 范 围内进行串联方柱绕流实验, 得出串联临界间距随 物体绕流是流体力学基础研究的重中之重. 同 雷诺数变化的规律. 然而如上所述, 目前多钝体绕 单钝体绕流相比[12] , 多钝体绕流流场更是由于其 流研究仍集中于方柱和圆柱, 对于桥梁、船舶等工 相邻影响会变得更加复杂. 对其研究可以直接涉及 程中具有重要研究价值的矩形柱串联流场研究却 到工程实际流场的本质, 例如建筑结构群以及复杂 鲜有涉及. 结构的流场特性. 本文利用刚性边界浸入式数值模拟方法(Vir- 较早对此进行研究的学者是Igarashi [3] , 他根 tual Boundary Method) [7] 中力源反馈物体边界 据流场特征将不同间隔距离下低雷诺数串联圆柱 的思想, 用以避开传统CFD 方法中边界网格构建 [89] 绕流划分为六个阶段. 随后为了更好地理解串联 所带来的计算耗费问题 , 并相应改动Virtual 钝体流场气动干扰机理, Slaouti [4] 和Meneghini [5] Boundary Method 原有内部流体处理方式, 进一步 等分别采用离散涡方法和有限元法模拟了二维