任立峰双圆柱绕流

二维并排双圆柱绕流数值模拟

摘要：为研究不可压缩流动中二维的并列双圆柱在不同间距和流速下的流动情况和影响因素。选取间距分别为3m，1m两个距离建立模型在选取速度为0.2m/s；0.6 m/s；1 m/s进行模拟，对不同距离情况下的速度云图速度轮廓图得出了不同距离情况下的流动情况，同时研究了同一模型下不同速度对流动情况的影响。并通过查阅文献验证了用fluent模拟的正确性。 关键字：二维双圆柱；数值模拟；不可压缩流动；数值传热学

1.引言

数值传热学，又称计算传热学，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法，通过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场，浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）。求解所建立起来的代数方程已获得求解变量的近似值。 目前，比较流行的数值模拟分析应用软件有FLUENT、CFX、STAR-CD、和PHOENICS等，而FLUENT是国内外比较流行的商用CFD软件包，该软件以其市场占有率高、计算准确、界面友好、使用简单、应用领域广、物理模型多而获得较高的市场占有率和用户的肯定。 建立模型

2.建立模型：

以下均采用二维非耦合计算模式，采用非定常计算模式；动量方程离散模式为二阶迎风模式；残差控制为1.0e-0.3。

对于不可压缩粘性流体，在直角坐标系下，其运动规律可用N-S方程来描述，连续性方程和动量方程分别为

?uj?xj

?ui?t

=0 （1-1）

1?Pρ?xi

+

??xj

ujui =?

+

??xj

(v

?uj?xj

) （1-2）

边界条件 u=U,v=0 （1-3） 采用双圆柱并排排列的方式选择两园间距1米和3米即1倍直径和3倍直径建立模型此模型长为圆的直径的32倍宽为圆的16倍直径圆心距入口距离为6米其模型如下图。

图1 间距为1倍直径的模型 图2 间距为3倍直径的模型

3用gambit建立模型并进行网格划分和设定边界条件

3.1网格的划分

对圆柱的周围用线进行分割线距离圆柱的圆心的距离为2m即2D，在圆柱周围围城的矩形框内对网格进行单独的划分，在圆柱周围采用pava进行划分，对圆柱的矩形框外的使

用map进行划分。对边采用等距离进行划分每个节点间距0.05m对两圆间距1倍直径的进行网格划分共得到12868个网格如图3。同理对间距为3倍直径的模型进行网格划分共得到12846个网格如图4。

图3 间距为1m的模型 图4间距为1m的模型

3.2边界条件的定义

对计算区域进行边界条件定义，选中左边线为进口边线，在name文本框中输入inlet，将type栏选为Velocity-inlet，在Entity栏宣威Edges。选取右边线为出口边线，在name栏目中输入Outlet，将Type栏选为Outlet，在Entity 中选取Edges。然后输出网格文件。

4使用fluent进行解算

4.1对间距为3m的模型进行解算

选用的水作为流体为流经计算区域的流体，从入口的速度分别设定为0.2m/s，0.6m/s和1m/s分三个速度对这个模型。

首先导入并检查网格，然后单击display—grid显示网格。第二步选择计算模型，在define—models—viscous选择k-epsilon模型，设置求解器是打开solver对话框，在Time下选择Unsteady（非定常），在Unsteady Formulation中选择2nd-Order-Implicit。在Porous Formulation中选择Superficial Velocity。保持其他默认设置不变。将流体材料设置为水，Fluent中有这一材料，直接复制即可。设置边界条件时先设置fluid流体区域的边界条件，再设置入口速度边界条件，将入口速度velocity magnitude栏内输入0.2，右侧栏内选择constant。并保留出口和墙壁的默认设置。

打开残差设置对话框，选择option下面的plot，convergence下面对应的数值均为0.001，单击ok按钮确认。最后进行流场初始化和保存文件。

点击solver-iterate 开始迭代，将迭代次数设置为20000次。计算完成后保存结果。 再分别更改入口速度为0.6m/s和1m/s进行求解。三次求解的残差图分别为图5，图6，图7

图5 0.2m/s时的残差图 图6 0.6m/s时的残差图

图7 1m/s时的残差图

可由残差图看出来对两圆柱间距3米是在速度为0.2m/s，0.6m/s和1m/s进行求解过程是收敛的，迭代过程正确。 4.2对间距为1m模型进行解算

对间距为1倍直径的模型进行解算的过程和上面一样只不过是换了一个模型，通过解算入口速度分别为0.2m/s ，0.6m/s和1m/s情况进行解算。其残差图分别为图8，图9和图10。

图8 0.2m/s时的残差图 图9 0.6m/s时的残差图

图8 1m/s时的残差图

可由残差图看出来对两圆柱间距1米是在速度为0.2m/s，0.6m/s和1m/s进行求解过程是收敛的，迭代过程正确。

5.解算结果以及结果分析

5.1不同速度情况下模拟结果的对比分析 5.1.1间距为3m的模型进行解算结果及分析

（1）不同速度下的速度云图的对比如图10～图12

图10 0.2m/s时的速度云图 图11 0.6m/s时的速度云图

图12 1m/s时的速度云图

通过对不同速度下的得出的速度云图对比可以看出速度云图的变化由横向是对称的，随速度的增大过圆柱后的速度变化会越大，高速区域集中在圆柱的上下两侧，在圆柱的前后是速度的低速区。圆柱后侧低速区域的范围呈现箭头状，越往外速度的值越来越大。产生的涡流也会相应变大。

（2）不同速度下的涡量云图的对比如图13～图15

图13 0.2m/s时的涡量云图 图14 0.6m/s时的涡量云图

图15 1m/s时的涡量云图

通过对不同速度下的得出的涡量云图对比可以看出随速度的增大过圆柱产生的涡量也会相应的变大，在圆柱周围产生的涡流的范围会相应的扩大。 5.1.2间距为1m的模型进行解算结果及分析

（1）不同速度下的速度云图的对比如图16～图18

图16 0.2m/s时的速度云图 图17 0.6m/s时的速度云图

图18 1m/s时的速度云图

在两圆柱距离为1m是不同速度下模拟的得出的速度云图对比的出的变化规律与圆柱间距基本相同。

（2）不同速度下的涡量云图的对比如图19～图21

图19 0.2m/s时的涡量云图 图20 0.6m/s时的涡量云图

图21 1m/s时的涡量云图

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