流體繞多個鈍體不穩(wěn)定分離流動數(shù)值仿真

權(quán)(院)摘 要 采用離散渦方法對繞多個鈍體不穩(wěn)定權(quán)(院)摘 要 采用離散渦方法對繞多個鈍體不穩(wěn)定別離流動進行了數(shù)值仿真數(shù)值驗結(jié)果說明,在來流對稱的條件下,繞雙圓柱流動是雙穩(wěn)態(tài)的,這和實驗是一的繞多個鈍體的流動更為復雜,前排對后排的流動存在很大的影響,尤其在前排不僅是一個物體的情況下計算中還包括了物體的不同截面形狀這些計算果將有助于各種換熱器海洋平臺建筑群布置等正確設(shè)計,改變以往僅按平均穩(wěn)定流動的設(shè)計。關(guān)鍵詞 繞多個鈍體流動;不穩(wěn)定流;別離流動;離散渦方法中圖法分類號O357.52繞多個鈍體流動是動力工程中廣泛存在的現(xiàn)象,例如葉柵流動就是一個典型的繞多個物體的流動再如各種換熱器中流體繞圓柱群流動,海水繞海洋平臺的圓柱群繞流,空氣繞建筑群流動等等因而對繞多個鈍體流動的研究具有很實用的意義同時,無論內(nèi)部流動或外部流動,不穩(wěn)定別離流動是當前的一個重要的研究方向而繞多體流動往往存在著不穩(wěn)定別離現(xiàn)象例如繞雙圓柱的流動,即使在來流均勻完全對稱的條件下,也存在著雙穩(wěn)態(tài)流動這是在實驗中發(fā)現(xiàn)的非常典型的不穩(wěn)定流動,也是流體力學中一個經(jīng)典難題再如我們熟知的aran渦街,也是一種不穩(wěn)定流動除此以外,這種流動中往往還存在著旋渦分離等,所以流動特別復雜除了理論分析實驗以外,對其進行數(shù)值仿真是一個重要方面近年來開展的離散渦方法對此提供了一個有效的手段。本文中結(jié)合工程實際,對雙圓柱三圓柱多方塊等多種物體形狀,在不同的來流方向采用了離散渦方法進行數(shù)值實驗,得到了一系列有意義的結(jié)果。1法基于二維不可壓的假定,以旋ω為框架的S方程為/Dtω式中,為粘性擴散系數(shù)進一步將連續(xù)的旋渦場離散為一系列渦泡的集合,每一個渦泡的直徑充分小在離散過程中保持其形成的環(huán)量不變,有N式中,為粘性擴散系數(shù)進一步將連續(xù)的旋渦場離散為一系列渦泡的集合,每一個渦泡的直徑充分小在離散過程中保持其形成的環(huán)量不變,有NΓ=(x,y)dxdy=(a,)dadb=ω\-i(a,b)σi=1隨后在拉格朗日坐標下,計算各個渦泡的運動當各個渦泡位置確定后,就可以得到由其誘導的流體速度及流場全部信息這種方法的特點是在計算中不需要計算網(wǎng)格,而且自動將計算集中在旋渦存在的區(qū)域,那里正是我們感興趣的區(qū)域,可以得到隨時間開展的非定常流場有關(guān)這種方法的詳細介紹見文獻1]。2動繞圓柱流動一直是流體力學中的一個經(jīng)典研究課題即使繞單圓柱流動,由于其豐富多采至今仍是一個研究熱點我們最近的一些研究2]獲得一系列有趣的結(jié)果,例如旋渦的產(chǎn)生,脫落,振蕩等等,這些都是最根本的流動現(xiàn)象繞雙圓柱的流動自然較此遠為復雜我們算均勻零角度來流的情況,如圖1a所示其計算Re數(shù)為1107按流動條件下看,這種流動似乎應該是對稱的其實不然,我們對其進行了長時間序列的計算,其結(jié)果如圖1a2a(a)布圖1()譜繞雙圓柱流動t=11.05(無量綱時間)(a)布圖2()譜繞雙圓柱流動t=26.00(無量綱時間)?1994-2021ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.://wwwki.其代表的物理時間就長,反之亦然。從圖其代表的物理時間就長,反之亦然。從圖12中我們可以看到,流動是非定常的,存在著劇烈的別離,而且是雙穩(wěn)態(tài)的比照圖1a和圖2a可以看到在不同時刻,圓柱后面的旋渦處于不同的位置可見它是不穩(wěn)定的平衡態(tài),這個結(jié)果與實驗是一致的在每一個時刻,除了流譜以外,還給出了旋渦的分布,如圖1b2b所示我們可以由流譜得出渦譜,反之,也可以由渦譜得出流譜,這是一個微分與積分的關(guān)系,兩者是統(tǒng)一的事實上,在離散渦方法中是先得出渦的分布,然后直接得出由旋渦所誘導的流場比照流譜與渦譜可見,旋渦區(qū)域也就是我們離散的旋渦元集中的地方我們可以將計算集中于最值得注意的地方,這正是離散渦方法的優(yōu)點可以認為離散渦方法是一種對旋渦別離流動的自適應方法。在圖3中,分別給出了兩個圓柱上作用的升力與阻力系數(shù)隨時間的變化可以看出,無論升力或阻力系數(shù),兩個圓柱之間存在著相位差如果需要,可以進行長時間的計算,得到充分多的取樣,隨后進行快速傅里葉分析(FF),就可以得到此時間序列的各種組成的頻率與相位,以進行定量分析。(a)柱1()柱2圖3繞雙圓柱流動圓柱升力L與阻力D系數(shù)隨時間的變化動3在上述根底上,進一步計算了繞三圓柱的流動,其流動情況如圖4(見下頁)所示,這也是上海東方明珠電視塔在風吹動下氣流流動的仿真,其計算結(jié)果如圖4ab所示它分別代表t=12.95,23.45時的流動,同樣存在不穩(wěn)定的流動狀態(tài)在圖5abc(見下頁)中分別顯示了作用在三個圓柱上的阻力與升力系數(shù)隨時間的變化在前面的那一個圓柱3上,變化比較簡單,而后面的兩個圓柱1和2就比擬復雜,其變化的頻率與相位都不同,顯示了這種流(a)t=12.(a)t=12.95()()t=23.45()圖4繞三圓柱流動(a)柱3()柱1(c)柱2()置圖5三圓柱繞流中各圓柱升力L與阻力D系數(shù)隨時間的變化?1994-2021ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.://wwwki.兩個圓柱的情況,更是如此圖兩個圓柱的情況,更是如此圖7abc分別為三個圓柱上作用的阻力與升力系數(shù)隨時間的變化,從中也可以看出,處于后面的圓柱1升力系數(shù)變化尤為復雜這是由于后面的圓柱流動受到前面圓柱流動影響的結(jié)果從流譜中也可以看到,處于后面的圓柱其別離點較前面的早,別離區(qū)也較前面的大,也就是說處于后面的圓柱,其別離尤為劇烈,其作用的力也更大。這也說明了為什么當流動激發(fā)振動時,處于后面的圓柱更為危險。(a)t=17.80()t=21.75繞三圓柱流動流譜圖6(a)柱1()柱2圖7三圓柱繞流中各圓柱升力L與阻力D隨時間的變化(c)柱3續(xù)圖7((c)柱3續(xù)圖7()置三圓柱繞流中各圓柱升力L與阻力D隨時間的變化動4無論就風工程或環(huán)境流體力學而言,繞建筑群流動是又一個受人關(guān)注的課題人們希望得到在風的影響下,作用在個建筑物上的力及環(huán)繞建筑群的流場,用以考慮建筑物的風振及建筑物周圍的環(huán)境質(zhì)量作為一個例子,我們計算了繞三個方形截面建筑物的流動其結(jié)果如圖89所示這兩分別代表了兩個相反方向來風的流動情況原那么上,其結(jié)果上述繞三圓柱的流動具有相圖8繞三方柱流動流譜t=240(Re=107)似的特征,就計算而言,這種繞具有尖角物體的流動,其別離點的判斷更為肯定,在圖89中明顯地可以看到,這些尖角點就是別離點。過流譜,我們可以看到風的流動對環(huán)境的影響例如別離點后,特別是物體后面往往存在著旋渦區(qū)這樣如果存在污染氣體或其他污染物時,就很不容易擴散另外,當兩個建筑物之間距離過小時,就很圖9繞三方柱流動流譜t=340(Re=107)?1994-2021ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.://wwwki.來改善環(huán)境質(zhì)量限于篇幅,在此不作詳述。5論來改善環(huán)境質(zhì)量限于篇幅,在此不作詳述。5論上所述,可見離散渦方法提供了研究繞流的一種很好的手段,可成功地用來模擬高Re數(shù)不穩(wěn)定非定常和劇烈別離流動。繞多個鈍體的流動往往是不穩(wěn)定的流動,繞雙圓柱的流動是其一個典型即使來流是均勻穩(wěn)定的,流動條件完全是對稱的,可是流動卻存在雙穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果與實驗是完全一致的。同文獻1]中那樣,通過長時間計算,得到充分多的采樣,就可以進行頻譜分析顯示流動的各種組成的頻率和相位。繞三圓柱的流動,那么更為復雜,表現(xiàn)為前排對后面的影響特別是當前排存在多物體時,例如雙圓柱正如上述,繞雙圓柱的流動存在雙穩(wěn)態(tài),它促使后面物體處于復雜的來流情況。帶有尖角鈍體的流動,顯然更容易別離,而且尖角點往往就是別離點這可使計算中更容易確定別離點,而別離點確實定具有重要的作用。繞多體流動的研究具有廣泛的工程意義例如各種換熱器海洋平臺環(huán)境工程等等,對其流動的了解,特別是其不穩(wěn)定別離流動的認識,必將有助于對其進行正確設(shè)計以往的設(shè)計往往僅基于平均穩(wěn)定的假定,從本文的計算可知,兩者相差甚大。本方法可以計算繞任意安置的任意多個物體的流動,差異僅僅是增加一些計算工作量而已。參考文獻1ioF,Wueqan,TaamSetl.oputatolaeoyacsfolatigaaeithteeolutonftl.AIAAJournal,198927(4):462～4712葉春明吳文權(quán)數(shù)值模擬圓柱繞流旋渦生成別離及演化華東工業(yè)大學學報,1995,17(4):25～303 PhoocaoardR.Nuelolutonfteaytaefuntayiousfowaoundaiclari2er:Aopaionithepeientliiatonandaureents.JluidMchanis,1985160:93～1174Wueqan,ioF,TaamSetl.orteximlatonfuntaytlinaaaeithpieiei2aatonandrorrctontchqe.e:NumericalMetosinLaminarandTurbulentlow,ol.5,UK:ieriePres,1987ralralsiatnfrnaleeaaedflowatltlntsWuenqan(lleefowerEngiering,ECUT,Shanghai200093)actTeppiaityfteortexetodtountaleparatedfowisasesedyo2putingtefowpattemltilunts.Inteortexetod,ieooputatoleshiseed,tereisoayiitfnumer,shpeorrlatieoitonftemltlunts.Tetp2lresltswereobtiedforfowpattetciners,thrcinersandthrqaresunerighReNumer,schas1107.orechnueriltetig,aongtieerieswaslclatedinorertoobtinteonqentilpoessfepent.Intantaoustreaiespatternanditributonsficreteortiesarepreentedaswlasteunteayftanddragforesf2fctedtemltlunts.Tenueriltetingeontratedteuntalecharcteriticsfasiyparatedfowpattemltlunts.Tefowpattetcinersisinbeqibriumtatus.teansthateenteeiiee,uformiletfowpatteymetriltciners,tefowisaymetril.Teunteasyftanddragforesffctedtetoinersrepctilyarelofferent.TethrcinersthatareoatedontetrialeisilarwithteontrctontpefShanghiTVower.Tefowpattethrcinerswasloimlatednuerilyforfferentirctonsfwind.Tefowaoundteckinerisoreopiatedthanthataoundtefontciners.Tisresltisreaoaleieteckinerisunertef2fctsfwaeftefowpatfontciners.Teoputatonforfowpattemltqaresistoimlatetewindpatteetfblings.Teortiesareldpetwentebligsfteetfblingsisuneraoreign.Tispeoeais