【CAE案例】流體振蕩器流場模擬

CAE璐姐

2023年2月9日 17:40

研究背景

流體振蕩器是沒有活動(dòng)部件的設(shè)備，根據(jù)流動(dòng)入口的雷諾數(shù)及其幾何形狀的不同，能夠在出口處產(chǎn)生均勻且可預(yù)測的頻率脈動(dòng)氣流。流體振蕩器的應(yīng)用范圍主要包括燃燒控制、改進(jìn)翼型中的流動(dòng)分離或減少阻力。

【CAE案例】流體振蕩器流場模擬的圖1

圖1：流體振蕩器工作示意圖

流體振蕩器一直是許多實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究的主題，流體振蕩器的CFD數(shù)值模擬大多基于雷諾平均方程（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations，RANS）。

本案例使用了流體有限元仿真軟件進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬，為了能夠更好地捕捉到振蕩器內(nèi)部的流場細(xì)節(jié)，采用了大渦模擬（Large eddy simulation，LES）的方法，以便更好地了解振蕩器的流體動(dòng)力學(xué)行為，模擬結(jié)果可用作基準(zhǔn)測試參考。

模型建立

本案例中，振蕩器的幾何模型如下圖所示。

圖2：振蕩器幾何示意圖

由于康達(dá)效應(yīng)（Coanda Effect），噴嘴產(chǎn)生的射流傾向于附著在壁的兩側(cè)之一。

例如，假設(shè)在特定時(shí)刻射流附著在底壁上，大部分射流將通過底部出口離開振蕩器。

隨后它的一部分將通過底部反饋回路再循環(huán)至入口處，導(dǎo)致射流改變方向附著在頂壁上并最終通過頂部端口離開設(shè)備，此過程循環(huán)往復(fù)，離開流體振蕩器的射流即按照一定的頻率改變方向。

計(jì)算中使用的流體雷諾數(shù)（基于入口寬度）為104。參考具有類似幾何配置和等效雷諾數(shù)的實(shí)驗(yàn)工作中，流體振蕩器的振蕩頻率為 15.4 Hz。模擬使用了以下網(wǎng)格：

網(wǎng)格	單元數(shù)	內(nèi)部面	邊界面	三維平面
A	33355	49390	67995	1
A1	32425	48050	66025	1
B	333550	794085	79560	10
B1	324250	772325	76600	10

【CAE案例】流體振蕩器流場模擬的圖3

圖3：計(jì)算所使用的網(wǎng)格，從左到右為A、A1、B、B1

對A、A1網(wǎng)格，計(jì)算采用URANS k-omega SST湍流模型，對B、B1網(wǎng)格，計(jì)算采用LES Smagorinsky模型，對于B1網(wǎng)格同時(shí)使用URANS k-omega SST進(jìn)行計(jì)算，作為對比。

每次計(jì)算模擬 40 秒，采用0.001 秒的恒定時(shí)間步長，從而總共進(jìn)行 40000 次時(shí)間迭代。

此外，對時(shí)間使用二階差分格式（僅用于 LES 模擬）和 RHS 重建，壓力為5，速度為10。對速度采用中心差分格式求解，求解器的參數(shù)保留為默認(rèn)值。最后，將梯度重建改為使用最小二乘初始化（imrgra = 5）的迭代重建。

結(jié)果分析

模擬結(jié)果都很好地描述了振蕩器基本的物理特性，并預(yù)測了與實(shí)驗(yàn)大致相似的振蕩頻率，不同網(wǎng)格的具體結(jié)果有一定差別。

為了比較，繪制了每個(gè)出口的流速關(guān)于時(shí)間的函數(shù)圖像，并進(jìn)行快速傅里葉變換分析（FFT），代表性的模擬結(jié)果如下圖所示。

頻率、最大和最小流速列于下表中。由于存在再循環(huán)，流速會(huì)出現(xiàn)低于零的情況。

【CAE案例】流體振蕩器流場模擬的圖4

圖4：兩個(gè)出口處的質(zhì)量流量及FFT分析

湍流模型	網(wǎng)格	頻率	最大流速	最小流速
URANS k-omega SST	A	13.33	0.96	0.09
URANS k-omega SST	A1	14.82	1.70	-0.68
URANS k-omega SST	B1	14.82	0.49	-0.19
no model	B	13.37	-	-
no model	B1	15.17	0.50	-0.19
LES Smagorinsky	B	17.19	-	-
LES Smagorinsky	B1	16.29	0.47	-0.17
LES WALE	B1	17.78	0.48	-0.17