单圆柱及双圆柱绕流的大涡模拟

摘要

圆柱和圆柱群广泛应用于工程领域。绕流是最常见的物理现象，当流体绕过非流线型结构物时，在一定的流动工况下会发生结构物后的漩涡脱落现象，交替产生的周期性的漩涡会诱发与来流垂直方向上产生周期性变化的流体作用力，致使结构物产生振动，严重时会使结构物损坏。对于圆柱群，由于圆柱间相互作用力的存在，作用在圆柱上力的大小与单圆柱有较大区别。在流体力学中，圆柱绕流问题的研究已经成为基础研究和工程领域中有意义的课题之一。 基于FLUENT软件平台上的大涡模拟方法，对定常来流流场中单圆柱及不同排列形式的双圆柱的进行了水动力计算，并对瞬时流场、时均流场及圆柱受力进行了分析。 单圆柱情况下，当Re=3900时，圆柱表面的压力系数在正对来流处为1，随着向周围扩展，压力系数值减小，达到最小值后很快增大到一个较为稳定的值，并在圆柱背后形成稳定的压力分布，分离角θsep=72 ，与实验值接近；Cd、Cl变化的频率满足fd=2fl，无量纲的脱涡频率满足St 0.216；流体绕过圆柱后，在圆柱尾部约1D范围内形成回流区。 当Re=6 104时，串列双圆柱中上游圆柱受力明显大于下游圆柱，下游圆柱Cd、Cl变化的频率满足fd=2fl，两圆柱脱涡频率近似相同，涡街相位相同；并列双圆柱Cd基本相等，且变化趋势有一定的相似性，脱涡频率接近单个圆柱，涡街相位相反；交错45 排列的两个圆柱Cd基本相等，脱涡频率接近，下游圆柱的涡街相位明显滞后于上游圆柱。