王玉珏,鲁　丽

(西南交通大学 力学与工程学院，成都　610031)



多圆柱绕流问题的数值模拟

王玉珏,鲁丽

(西南交通大学 力学与工程学院，成都610031)

摘要：基于非定常不可压缩黏性流动的N-S方程，利用计算流体力学Fluent软件对圆柱绕流问题进行了数值计算，分析多圆柱不同间距比(两圆柱圆心间的距离与圆柱直径的比值)时产生不同的尾流特征现象。选取间距比为可变参数进行数值模拟。数值计算结果表明：圆柱尾部卡门涡街生成和脱落的流动特征很大程度上取决于间距比的大小，且间距存在临界值。

关键词：Fluent; 多圆柱绕流; 涡脱落; 数值模拟

一直以来，圆柱绕流问题是流场分析中一个非常经典的问题。当流体流过非流线型物体时，在特定的条件下，流体尾流左右两侧出现成对的、交替出现的、方向相反的漩涡，这个现象因由著名空气动力学家西奥多·冯·卡门从理论上阐明而得名卡门涡街。

已有很多文献和资料涉及圆柱绕流的物理实验和数值模拟。多柱体静止绕流问题的数值模拟研究主要针对低雷诺数的情况。与单圆柱绕流相比,多圆柱绕流由于柱与柱之间的相互影响以及排布方式的不同,其流动情况要复杂得多。Zdravkovich[1]等对双圆柱串列和交错放置的绕流问题进行实验研究，结果表明：在各种圆柱排列方式下都存在一个临界间距，超过此间距，漩涡脱落频率、压强系数、升力和阻力系数都会发生较大变化；在此间距处，会有两种不同的流态，称为“双稳态“现象。Meneghini等[2]对双圆柱静止绕流现象进行了数值计算，观察到串列双圆柱在不同间距比条件下出现不同的流动现象。通过速度云图、流线图分析了上下游圆柱的漩涡脱落特征，得出临界间距在3D左右。

在机械、石化、核电、热交换器装置及海洋工程等诸多领域，交替性的涡脱落导致在垂直于来流方向上产生剧烈振荡的升力,从而会带来结构振动及噪声，甚至导致失效。所以，这类问题已成为基础研究和工程领域中重要的课题之一。

本文采用二维层流模型和结构化网格，结合有限体积法对不同间距比下的柱群产生涡脱落现象进行分析，模拟低雷诺数下卡门涡街的产生、发展和脱落的演化过程[3-9]。

1基本方程

不可压缩黏性流体的运动在笛卡儿坐标系下可用Navier-Stokes(N-S)方程组来描述：

(1)

其中：t为时间；ρ为密度；p为压强；υ为运动黏性系数；xj，uj分别为j方向上的坐标和速度。

2计算区域与计算网格

图1　多圆柱仿真计算模型

图2　结构网格

3计算结果分析

如图3～10所示。在雷诺数情况下，当L/D=2时，上游圆柱的分离剪切层非常明显,并附着在下游圆柱上,涡脱落现象只在下游圆柱出现。当2.5

图5　L/D=3

图6　L/D=3.25

图7　L/D=3.5

图8　L/D=3.625

图9　L/D=3.75

图10　L/D=4

图11　L/D=2，L/D=4时的升力

参考文献：

[1]ZDRAVKOVICH M M.Review of flow interference between two circular cylinders in various arrangements[J].ASME Journal of Fluids Engineering,1977,99:618-633.

[2]MENEGHINI J R，SALARA F,SIQUEIRA C L R，et al.Numerical simulation of flow interference between two circular cylinders in tandem and side-by-side arrangement[J].Journal of Fluids and Structures,2001(15):327-350.

[3]刘松,符松.串列双圆柱绕流问题的数值模拟[J].计算力学学报,2000,17(3):260-266.

[4]郑庭辉,费宝玲,杨骏六,等.串列双圆柱尾迹流的数值分析[J].西南交通大学学报， 2008(6)：747-751.

[5]高洋洋.多柱体系统静止绕流与涡激振动的试验及数值研究[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[6]JESTERW,KALLINDERIS Y.Numericalstudyofincompressibleflowaboutfixedcylinderpairs[J].JournalofFluidsandStructures,2003,17(4):561-577.

[7]CARMOBS,MENEGHINIJ R.Numericalinvestigationoftheflowaroundtwocircularcylindersintandem[J].Journalof Fluidsand Structures,2006,22(6/7):979-988.

[8]KONDON,MATSUKUMAD.Numericalsimulationforflowaroundtwocircularcylindersintandem[J].International Journal of Computational Fluid Dynamics,2005,19(4):277-288.

[9]PAPAIOANNOUG,YUE D P.Three-dimensionality effects in flow around two tandem cylinders[J].Journal of Fluid Mechanics,2006,558(7):387-413.

(责任编辑刘舸)

Numerical Simulation of Flow Around Multi-Circular Cylinder

WANG Yu-jue, LU Li

(School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China)

Abstract:Based on the incompressible Navier-Stokes equation, the flowing problem about flow around multi-circular Cylinder was numerically simulated by Fluent software to analyze different spacing ratio among multi-circular cylinder’s (ratio of the distance between the two cylindrical center and cylinder diameter) producing of different wake flow characteristic phenomena. We choose spacing ratio as a variable parameter for numerical simulation. The result of numerical simulation show: flow characteristics of the generation and fall off of cylindrical tail karman vortex street depends strongly on the distance between the cylinder and the space has critical value.

Key words:Fluent; flow around multi-circular cylinder; vortex shedding; numerical simulation

文章编号：1674-8425(2016)02-0037-04

中图分类号：TV131

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.007

作者简介：王玉珏(1990—)，女，湖北人，硕士研究生，主要从事力学方面的研究。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11102170， 11372258)

收稿日期：2015-08-26

引用格式：王玉珏,鲁丽.多圆柱绕流问题的数值模拟[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，2016(2):37-40.

Citation format：WANG Yu-jue, LU Li.Numerical Simulation of Flow Around Multi-Circular Cylinder[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):37-40.