基于flunt的圆柱绕流模拟

基于fluent的圆柱绕流模拟

引言：

使用网格划分软件gambit进行模型的建立还有网格划分，然后使用计算流体

力学软件FLUENT,模拟均匀来流绕固定圆柱的流动,得到流场的流函数等值线图和速度矢量图，并且，模拟雷诺数为40，100，200,400时的绕流流动，得到了各个雷诺数下的计算域内的流动情况。计算结果表明:当雷诺数增加时,流动表现出一系列不同的构造。在雷诺数约为40 前后流场有明显变化。小于这个数时,存在一对位置固定的旋涡。大于40 时,流场开始变得不稳定,旋涡扩大、脱落、又生成,逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡。并与实验及数值模拟结果比较,确认FLUENT能够很好地预测流动结构。

一 控制方程

对于不可压缩粘性流体，在直角坐标系下，其运动规律可以用N-S方程来描

述，连续性方程和动量方程分别为：

?Uj?Xj?0 （1.1）

?Ui?(UjUi)?U1?P? ????(vi) （1.2）

?t?Xj??Xi?Xj?Xj二 求解问题的数学模型和数值方法

2.1 问题描述和模型建立

一个无穷长 直径为20cm 的圆面积柱体,放置在无穷远来流速度为0.01m/ s

不受干扰的均匀横流中,如图所示。

图 1 模拟对象

图中，L=100cm，计算域直径W=20cm，入口距离圆柱20cm。对应的网格划分如图所示：

图 2 模型网格

2.2 数值方法

此次模拟中主要运用到了SIMPLC算法，它是对SIMPLE算法的一种改进，其计算步骤与SIMPLE算法相同，只是压力修正项中的一些系数不同，可以加快迭代过程的收敛

SIMPLE算法：基本思想如前面讲求解器的那张图中解释分离式求解器的例子所示的一样，这里再贴一遍： 1.假设初始压力场分布。

2.利用压力场求解动量方程，得到速度场。

3.利用速度场求解连续性方程，使压力场得到修正。 4.根据需要，求解湍流方程及其他方程

5.判断但前计算是否收敛。若不收敛，返回第二步。

简单说来，SIMPLE算法就是分两步走：第一步预测，第二步修正，即预测－修正。

计算过程中的离散格式为二阶迎风离散格式，这种离散格式能够加速收敛，湍流模型选择的是层流，这样在非定常计算时，每一个时间步长内流体变化很小，不会发生突变之类，可以看出层流。

三 数值计算结果及其分析

3.1 问题模拟结果

对速度进行了模拟之后，得到了速度轮廓图线如图：

图 3 速度轮廓图线

同时，还有相应的速度矢量图：

图 4 速度矢量图线

可见，在这种情况下，圆柱后方流体的流动并不是沿着一个固定方向的，而是形成了涡。

3.2 不同雷诺数下的绕流流动模拟结果

在保证来流速度不变的情况下，改变流体的粘性系数从而改变了Re数，完成对不同雷诺数下的绕流情况的模拟：

雷诺数 密度（kg/m3） 动力粘度（?40 1 0.05 100 1 0.02 200 1 0.01 400 1 0.005 Pa?s） 表格 1 雷诺数的设定

Re=40时的流线图

图 5 流线图 Re=40

Re=100时的流线图

图 6 流线图Re=100

Re=200时的流线图：

图 7 流线图Re=200

Re=400时的流线图

图 8 流线图Re=400

分析：从图5-图8可以看出，在雷诺数为40的时候，在圆柱后面形成一对对等涡，在雷诺数为200和400的时候，一对涡逐渐破坏，随后雷诺数增加，形成周期性震荡。

四：结论

计算结果表明:当在来流速度一定的情况下，流体经过圆柱之后会形成涡，流体速度方向不一定，当雷诺数增加时,流动表现出一系列不同的构造。在Re =40 时,存在一对位置固定的旋涡。Re > 40 时,流场开始变得不稳定,旋涡扩大、脱落、又生成,逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡。

与实验及数值模拟结果比较,确认FLUENT能够很好地预测流动结构。利用计算流体力学软件FLUENT 可以成功地模拟圆柱绕流问题,反映出流动特性。然而此次试验仅仅是对雷诺数400以下的一些例子进行了计算，因而可以对更大的雷诺数进行研究来发现其更多的规律。

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