方柱扰流数值模拟.docVIP

流动与传热的数值模拟技术课程报告 方柱绕流的数值模拟 学院： 姓名： 学号：  1.方柱绕流的数学模型 本流动问题的介质是液态水，为粘性流体层流流动，符合N-S方程，即： =ρF﹣gradP+μ▽2V 2.方柱绕流的几何建模 取该模型为二维模型。流场整体尺寸如图所示：该流场是100mm×40mm的矩形，中间是边长为6mm的方柱。其中方柱离出口20mm，离上下边界都是17mm。在该流场的基础上进行数值模拟。 3.边界条件 该方柱绕流模型的边界条件分别为Fluent中的速度入口velocity-inlet和压力出口pressure-outlet，壁面条件为无滑移壁面条件WALL。以此来进行数值模拟。 4.网格划分 本模型是利用ICEM来进行网格的划分。其中划分的步骤如图所示： 作为专业的前处理软件ICEMCFD为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境，还可以集成于ANSYS Workbench平台, 获得Workbench的所有优势。ICEM作为fluent和CFX标配的网格划分软件，取代了GAMBIT的地位。 ICEM因其良好的操作界面、丰富的几何接口、完善的几何功能、灵活的拓扑创建、先进的O型网格技术、丰富的求解器接口等优势，越来越被业内人士所认可。 在ICEM中画出所用几何模型，并进行网格划分。通过block的方法对方柱周围的网格进行加密处理，以获得更加精确的模拟结果。其划分结果如下： 5.fluent求解 5.1定义网格 打开FLUENT，选择二维求解器。 打开生成的网格，检查网格质量。Minimum Volume大于0. 定义网格单位。在Grid Was Created In下拉列表中选择mm，单击Scale。 5.2 定义求解模型 模型为Viscous-Laminar。 该流动问题为不可压缩流动。因此不勾选Energy Equation复选框。 定义材料。本材料为水。 5.3定义边界条件 左边边界为进口边界设为velocity-inlet，最右边边界为出口边界设为pressure-outlet，其余边界为wall。 求解方法为PISO二阶迎风格式。 5.4计算 根据作业题目要求，在雷诺数0-200之间选择雷诺数为40、80、120、160四种情况来进行计算。 根据雷诺数定义 (1 式中： 是平均流速（国际单位：m/s）； D管直径（一般为特征长度）(m； μ流体动力黏度（Pa·s或N·s/m2）； υ运动黏度； ρ流体密度（kg/m3）； Q体积流量（m3/s）； A横截面积（m2） 。 圆柱扰流的无量纲频率为0.2，为了准确抓住涡脱落周期现象，在一个涡脱落周期内至少需要20~25个时间步长。 Sr=0.2=f×D/U (2 式（3） Δt=1/f/(20~25 (3本例中，ρ=998.2kg/m3，D=0.02m，μ=0.001003kg/m·s，根据式（2）算得的入口速度和Time Step Size见表1。 表1 各雷诺数对应的入口速度和时间步长 雷诺数 160 120 80 40 入口速度U（m/s） 0.008433 0.006042 0.004028 0.0023152 Time Step Size（s） 0.481684 0.662032 0.993049 1.592314 6.计算结果及分析 6.1雷诺数为40的计算结果如下图： 速度分布图 压力分布图 涡量分布图 在雷诺数为40时，两侧对流呈对称状，没有相互的干扰。没有出现卡门涡街现象。从速度分布图中我们可以看到在方柱迎向水流的两侧尖角处及延伸阶段速度最大，这是由于过流面积突然减小水流流速加快。在方柱迎向水流方向棱上压力最大。涡量两侧对称分布，没有发生干扰。 6.2雷诺数为80的计算结果 速度分布图 压力分布图 涡量分布图 在雷诺数为80时，速度分布图的尾流出现摆动的涡街，侧壁流速减缓是因为粘性阻力作用，对流体产生阻力。压力和涡量分布产生轻微的不均匀现象。 6.3雷诺数为120的计算结果 速度分布图 压力分布图 涡量分布图 6.4雷诺数为160时的计算结果 速度分布图 压力分布图 涡量分布图 涡量为120、160时，漩涡不断增长，摆动加强，不稳定的对称旋涡破碎时，会形成周期性的交替脱落的卡门涡街。卡门涡街大多数情况下是不稳定的。通过涡量分布图也很容易观察到。 7.分析 雷诺数为40的时候方柱两侧的尾流呈对称状没有相互干扰，没有出现卡门涡街。雷诺数为80的时候速度分布图的尾流出现摆动的涡街，压力和涡量分布图呈现轻微的不对称。方柱壁面附近的尾流呈现不对称性,一侧的尾流回流对另一侧的尾流的回流有较弱