一、卡門渦街簡介

      卡門渦街是流體力學中重要的現象，在自然界中常可遇到，在一定條件下的定常流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，經過非線性作用后，形成卡門渦街。如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。

                                        圖1 圓柱繞流實驗中觀察到的卡門渦街現象

二、ABAQUS中實現卡門渦街現象

      ABAQUS作為一款功能強大的工程模擬有限元軟件，自帶“大型動畫制作”功能。本部分內容將簡單介紹如何在ABAQUS中實現簡單的卡門渦街現象。

      本部分內容需要用到ABAQUS/CFD模塊，最終實現的效果如圖2所示。借助該案例也簡單介紹一下CFD模塊的具體建模過程。

                                             圖2 ABAQUS中圓柱繞流產生卡門渦街

建模步驟

1、打開ABAQUS6.14，選擇With CFD Model；

2、創建Part-KarmanVortex，Part設置如圖3所示，建立草圖如圖4所示，拉伸厚度0.01m，如圖5所示。

                                                                   圖3  Part設置 

                                                              圖4 Part草圖參數設置

                                                                   圖5 拉伸厚度

3、對部件進行分區，各部分參數如圖6所示。

                                                                  圖6 模型分區

4、網格劃分，全局網格尺寸0.01，中間局部區域網格0.005，如圖7所示。

                                                              圖7 布種及網格劃分

5、創建材料屬性，整個模型中只需要填充水，其中，水的密度Density為1000kg/m3；狀態方程Eos中選擇Us-Up，C0=1480m/s，s=0，γ=0；動力粘度Viscosity為0.001Pa?s，如圖8所示。

                                                                 圖8 水的材料屬性

6、創建界面并指派材料屬性，截面種類只能選擇Fluid，后面選Homogeneous；

7、裝配模型，只有一個Part-KarmanVortex，默認裝配即可；

8、創建分析步，分析步類型為Flow，時間總長120s，湍流模型(Turbulence)選k-e RNG，具體參數默認即可，如圖9所示。

                                                                   圖9 分析步設置

9、創建場輸出，輸出頻率為200，輸出場變量見圖10，需要選中Fluid-VORTCITY來觀察流場中渦的變化規律。

                                                                 圖10 分析步設置

10、本案例只是單純的模擬圓柱繞流中的卡門渦街現象，不存在流固耦合作用 （流固耦合的重要特征是兩相介質之間的相互作用，固體在流體載荷作用下會產生變形或運動；固體的變形或運動又反過來影響流體的運動，從而改變流體載荷的分布和大小），不需要設置相互作用。

11、定義載荷。首先定義流場邊界條件，選用速度入口，大小為0.1m/s，湍流參數設置如圖11所示；選用壓力出口，大小為0，湍流參數設置如圖12所示；圓柱壁面設置為wall，No slip（無滑移處理），湍流模型無法更改，默認即可，如圖13所示；設置流體在上下兩個表面不允許沿Z軸方向流出，因此Z軸方向速度為0，X，Y方向無需做改變，如圖14所示；設置流體在上下兩個側面的邊界條件與速度入口一致，不作wall處理，意味著模型在上下兩個側面方向無限延伸，如圖15所示。

其次設置預定義場，分別設置流體密度初始場（Fluid Density），流體湍流初始場(Fluid Turbulence)以及流體速度(Fluid velocity)初始場，具體數值見圖16。

                                                                 圖11 速度入口設置

                                                               圖12 壓力出口設置

                                                               圖13 圓柱壁面wall設置

                                    圖14 設置流體在上下兩個表面不允許沿Z軸方向流出

                   圖15 設置流體在上下兩個側面邊界條件與速度入口一致，模擬流場沿側面無限延伸

                         圖16 流體密度初始場，流體湍流初始場以及流體速度初始場的設置

12、創建Job提交計算即可。開并行運算若出現Invalid command line option: mp_mode = THREADS錯誤，說明是電腦的mpi版本太高，可以通過控制面板搜索后卸載，然后打開ABAQUS安裝包(以6.14版本為例)win86_64/mpi_3.0_x64重新安裝即可。