圓柱繞流分析的案例
基于LS-DYNA-ICFD法計(jì)算圓柱繞流特性 （經(jīng)典流固耦合問題分析）
基于LS-DYNA-ICFD法計(jì)算圓柱繞流特性 （經(jīng)典流固耦合問題分析）
1、背景及意義
圓柱繞流問題是經(jīng)典的流體力學(xué)問題。在流體力學(xué)的領(lǐng)域，圓柱繞流屬于一個(gè)經(jīng)典問題和研究的熱點(diǎn)。圓柱繞流可以作為許多工程問題中的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行模擬研究，進(jìn)一步讓其在實(shí)際工作中發(fā)揮作用如：海底管道、大型煙囪、飛機(jī)機(jī)翼ｍ等，所以針對(duì)于圓柱繞流流動(dòng)特性的分析的重要性不言而喻。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，圓柱繞流問題也很常見，如海水海底輸油管道周圍的流動(dòng)、熱交換器管束熔化的工作流體等。與此同時(shí)，針對(duì)所有可能產(chǎn)生流體繞流的設(shè)備，柱體下游的旋渦規(guī)律性的脫落，這些都會(huì)促使柱體產(chǎn)生多個(gè)方向的振動(dòng)，增加柱體的
疲勞程度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此展開圓柱繞流流動(dòng)特性的研究對(duì)實(shí)際工程具有重要的指導(dǎo)意義。
展開 圓柱繞流仿真分析
圖14 速度矢量
圖14為圓柱繞流流場(chǎng)速度適量分布圖，可以明顯看出，有關(guān)于水平軸向的對(duì)稱流動(dòng)結(jié)構(gòu)。此外，在圓柱前方有駐點(diǎn)，且在圓柱上下頂點(diǎn)為流動(dòng)分離點(diǎn)。圓柱尾部出現(xiàn)低壓區(qū)，且與流動(dòng)分離點(diǎn)區(qū)域形成顯著的速度梯度，進(jìn)而形成尾渦。
圖15 湍動(dòng)能分布
圖16 湍流渦粘分布
5.4 云圖顯示
單擊，創(chuàng)建速度矢量圖，如圖17所示。
圖17 速度矢量圖
6. 結(jié)論
圓柱繞流是經(jīng)典的流動(dòng)問題，很多實(shí)際流動(dòng)問題均可由圓柱繞流問題演化而來。此算例簡(jiǎn)單分析了圓柱繞流的速度分布特征、流動(dòng)分離、壓力分布及湍動(dòng)能分布等流場(chǎng)信息。但針對(duì)其流動(dòng)特點(diǎn)，仍有很多值得研究的問題，如渦脫落的頻率對(duì)某一定點(diǎn)的干擾可形成周期性的流場(chǎng)物理量的變化（如速度脈動(dòng)、壓力脈動(dòng)等），升阻比，進(jìn)步一分析圓柱在周期性振蕩作用下，即圓柱在水彈性力作用下的運(yùn)動(dòng)特征等，此處不一一贅述了。
展開 圓柱繞流流致噪聲仿真分析
從定性的角度分析可得，湍流自身含有的湍動(dòng)能一部分作為管道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的激勵(lì)作用在管壁上，引起管壁的振動(dòng)以及向外輻射噪聲，另一部分能量將作為流動(dòng)聲源在管內(nèi)產(chǎn)生噪聲。流致噪聲在航海、航空領(lǐng)域受到高度的關(guān)注，它不僅造成飛機(jī)、直升機(jī)艙室乘員感觀和心理上的不適，還嚴(yán)重影響水下作戰(zhàn)平臺(tái)（如潛艇）的隱蔽性。流致噪聲是指由于運(yùn)動(dòng)流體與固體邊界相互作用以及流體內(nèi)部湍流所引起的輻射噪聲。其主要激發(fā)機(jī)理是由于固體與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及流體自身的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)所激起的流體內(nèi)部及壓力擾動(dòng)在介質(zhì)中的傳遞。
自上世紀(jì)50年代，我國(guó)就已開展了湍流噪聲方面的研究，但進(jìn)展緩慢；而且早期研究主要集中于湍流邊界層的近場(chǎng)特性，對(duì)流體自輻射噪聲的研究較少。時(shí)至今日，湍流噪聲的理論研究大都基于Lighthill聲比擬方程、Powell渦聲理論及Kirchhoff理論；其中Powell渦聲理論和Kirchhoff理論均是基于Lighthill聲比擬理論發(fā)展而來。
當(dāng)流體流經(jīng)封閉的障礙物管時(shí)，在障礙物管和主管道連接處由于慣性、流體內(nèi)摩擦力、邊界層脫落效應(yīng)的耦合疊加而產(chǎn)生漩渦脫落，其形成的管內(nèi)噪聲是管道聲致振動(dòng)疲勞損傷的重要原因。本技術(shù)貼從典型的漩渦脫落管內(nèi)噪聲為例，介紹管內(nèi)流動(dòng)噪聲的計(jì)算方法。
本文使用ANSYS Fluent 19.0軟件，對(duì)圓柱擾流流動(dòng)所引起的誘導(dǎo)噪聲進(jìn)行聲比擬仿真，內(nèi)容包括網(wǎng)格導(dǎo)入、模型選擇、材料物性、邊界條件、求解參數(shù)、后處理的設(shè)置。通過聲比擬方法獲得擾流流場(chǎng)和噪聲。
2. 模型仿真描述
本仿真為2D模型，圓柱直徑為1.9cm，來流風(fēng)速為69.2m/s。基于直徑的雷諾數(shù)為90000，流場(chǎng)的計(jì)算域上游為5倍的圓柱直徑，下游為20倍圓柱直徑，采用2D LES模型進(jìn)行模擬。
3.
展開 案例解析|基于自適應(yīng)網(wǎng)格的圓柱繞流分析
前言
圓柱繞流是流體力學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典問題。這是一個(gè)具有實(shí)際重要性的問題:橋墩、冷卻塔等都是我們所面對(duì)的圓柱繞流的典型例子。旋渦脫落是這類結(jié)構(gòu)在高雷諾數(shù)范圍內(nèi)流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的一種重要現(xiàn)象，旋渦脫落的頻率和旋渦振動(dòng)幅值的分析在該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起著重要的作用。在本教程中，使用OpenFOAM對(duì)圓柱周圍的層流進(jìn)行了模擬，并對(duì)圓柱繞流的物理性質(zhì)進(jìn)行了評(píng)述。
模型簡(jiǎn)化
圓柱體直徑為10mm，高10mm。
雙圓柱繞流噪聲研究
4 結(jié)論
在非定常CFD計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上采用Actran的聲類比方法來計(jì)算雙圓柱繞流的噪聲源，進(jìn)而采用其有限元聲傳播計(jì)算程序計(jì)算外部聲場(chǎng)，通過與試驗(yàn)中測(cè)得麥克風(fēng)的聲壓級(jí)進(jìn)行對(duì)比誤差小、精度高，Actran可用于預(yù)測(cè)模擬飛機(jī)起落架或機(jī)翼、汽車后視鏡或立柱、機(jī)車受電弓等復(fù)雜部件的繞流氣動(dòng)噪聲問題，并為低噪聲設(shè)計(jì)提供優(yōu)化指導(dǎo)意見。
OpenFOAM-圓柱繞流
首先進(jìn)行建模操作，任何建模軟件均可，本教程采用ICEM直接建模，模型尺寸如下：
建成的模型如下：
對(duì)建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成的網(wǎng)格如下：
對(duì)圓柱的近壁面進(jìn)行了加密處理，將劃分的網(wǎng)格導(dǎo)出為ASCII的.msh格式（注：二進(jìn)制的.msh格式OpenFOAM是不支持網(wǎng)格轉(zhuǎn)換的）
接下來轉(zhuǎn)入OpenFOAM的操作：
首先新建一個(gè)文件夾，名字任取，本教程中我將該文件夾命名為：train
然后進(jìn)入OpenFOAM的安裝目錄下查找一個(gè)tutorial的文件夾，然后按照：
icoFoam求解是用來求解不可壓縮牛頓層流，雖然最后為穩(wěn)態(tài)，但是也可以通過計(jì)算瞬態(tài)來達(dá)到穩(wěn)態(tài)。我們只需要拷貝icoFoam文件夾下的任意一個(gè)算例的0文件夾、constant文件夾和system文件夾。
展開 OpenFOAM-圓柱繞流教程
首先進(jìn)行建模操作，任何建模軟件均可，本教程采用ICEM直接建模，模型尺寸如下：
建成的模型如下：
對(duì)建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成的網(wǎng)格如下：
對(duì)圓柱的近壁面進(jìn)行了加密處理，將劃分的網(wǎng)格導(dǎo)出為ASCII的.msh格式（注：二進(jìn)制的.msh格式OpenFOAM是不支持網(wǎng)格轉(zhuǎn)換的）
接下來轉(zhuǎn)入OpenFOAM的操作：
首先新建一個(gè)文件夾，名字任取，本教程中我將該文件夾命名為：train
然后進(jìn)入OpenFOAM的安裝目錄下查找一個(gè)tutorial的文件夾，然后按照：
icoFoam求解是用來求解不可壓縮牛頓層流，雖然最后為穩(wěn)態(tài)，但是也可以通過計(jì)算瞬態(tài)來達(dá)到穩(wěn)態(tài)。我們只需要拷貝icoFoam文件夾下的任意一個(gè)算例的0文件夾、constant文件夾和system文件夾。
展開 圓柱繞流問題模擬
對(duì)經(jīng)典算例圓柱繞流進(jìn)行了模擬，雷諾數(shù)為2萬左右，入口流速為1米/秒，小球直徑為0.2m，采用RNGKE模型來求解，檢測(cè)阻力系數(shù)和升力系數(shù)，如下所示。
基于FLUENT的圓柱繞流數(shù)值模擬
關(guān)鍵詞：FLUENT，圓柱繞流，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算流體力學(xué)，流場(chǎng)特性
利用FLUENT軟件對(duì)圓柱繞流過程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬手段探討圓柱繞流過程中流體的速度、壓力、湍動(dòng)能分布，以研究其流場(chǎng)特性。主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為速度分布和湍動(dòng)能分布。以某一確定結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的圓柱繞流為例進(jìn)行以下數(shù)值模擬流程介紹。通過精細(xì)的網(wǎng)格劃分和仿真設(shè)置，模擬了圓柱繞流過程的流場(chǎng)特性，以云圖方式顯示了其流場(chǎng)的速度分布和壓力分布。
在仿真過程中，首先建立圓柱繞流三維模型。為提高仿真精度，對(duì)模型進(jìn)行了poly網(wǎng)格劃分。隨后設(shè)置仿真參數(shù)，包括流體密度、粘度等參數(shù)。采用SST k-omega模型來描述流體的流動(dòng)特性。后續(xù)可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)其進(jìn)行更為細(xì)致的數(shù)值模擬，以進(jìn)一步優(yōu)化其流場(chǎng)分布效果，找到所需最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)。
建立幾何模型時(shí)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化便于數(shù)值模擬過程，網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)其施加一定的控制（如曲率和偏度）以提高網(wǎng)格質(zhì)量，綜合得到網(wǎng)格質(zhì)量大于0.2即可滿足一般仿真需求。幾何模型如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。
圖1幾何模型
圖2網(wǎng)格劃分
初始速度分布如圖3所示，初始速度分布如圖4所示：
圖3初始速度分布
圖4初始?jí)毫Ψ植?流動(dòng)2s時(shí)刻，速度、壓力及湍動(dòng)能分布如圖5、圖6和圖7所示：
圖5流動(dòng)2s時(shí)刻速度分布
圖6流動(dòng)2s時(shí)刻壓力分布
圖7 流動(dòng)2s時(shí)刻湍動(dòng)能分布
最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號(hào)“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。
展開 圓柱繞流氣動(dòng)噪聲FLUENT仿真 ￥499
本算例以圓柱繞流為模型，仿真計(jì)算湍流導(dǎo)致的氣動(dòng)噪聲聲源。
付費(fèi)內(nèi)容包含具體設(shè)置過程，詳細(xì)的仿真原理及步驟，請(qǐng)參考個(gè)人簡(jiǎn)介中的聯(lián)系方式。
模型幾何尺寸
模型網(wǎng)格
氣動(dòng)噪聲仿真結(jié)果
Fluent專家-流動(dòng)-3 (圓柱繞流)
ywj.rar
wb1.rar
(圓柱繞流)
案例簡(jiǎn)介
模型如下圖所示，其中來流流速為1m/s，我們通過fluent來分析圓柱外流場(chǎng)情況。
視頻播放地址：http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10271
圓柱繞流的層流振蕩
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例模擬了圓柱繞流的層流振蕩現(xiàn)象。
計(jì)算域：圓柱直徑2m
物質(zhì)屬性：密度為1kg/m3，粘度為0.02kg/m-s
邊界條件：來流速度1m/s
網(wǎng)格劃分
采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為3998
計(jì)算設(shè)置
本次計(jì)算為非穩(wěn)態(tài)層流計(jì)算。
物質(zhì)屬性
計(jì)算物質(zhì)設(shè)置為空氣，設(shè)置密度等參數(shù)
湍流模型
選擇層流
邊界條件
（1）設(shè)置速度入口邊界條件
（2）出口邊界采用出流邊界條件
求解控制
（1）求解方法
（2）松弛因子
計(jì)算求解
時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.01
計(jì)算結(jié)果
計(jì)算域云圖展示
速度云圖
計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比
這里對(duì)斯特勞哈爾數(shù)進(jìn)行對(duì)比，在FLUENT中通過求得圓柱后某點(diǎn)速度隨時(shí)間變化，進(jìn)行傅里葉變化求得斯特勞哈爾數(shù)
參考文獻(xiàn)
F.M.White,Fluid Mechanics, 3rd Edition. McGraw-Hill Book Co., New York, NY. 1994
S.J. Kim, C.M. Lee, “Numerical Investigation of Cross-Flow Around a Circular Cylinder at a Low-Reynolds Number Flow Under an Electromagnetic Force”. KSME International Journal. Vol 16, pp. 363-375, 2002
展開 ABAQUS/CFD圓柱繞流實(shí)現(xiàn)卡門渦街
圖8 水的材料屬性
6、創(chuàng)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(gè)Part-KarmanVortex，默認(rèn)裝配即可；
8、創(chuàng)建分析步，分析步類型為Flow，時(shí)間總長(zhǎng)120s，湍流模型(Turbulence)選k-e RNG，具體參數(shù)默認(rèn)即可，如圖9所示。
圖9 分析步設(shè)置
9、創(chuàng)建場(chǎng)輸出，輸出頻率為200，輸出場(chǎng)變量見圖10，需要選中Fluid-VORTCITY來觀察流場(chǎng)中渦的變化規(guī)律。
圖10 分析步設(shè)置
10、本案例只是單純的模擬圓柱繞流中的卡門渦街現(xiàn)象，不存在流固耦合作用 （流固耦合的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用，固體在流體載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)；固體的變形或運(yùn)動(dòng)又反過來影響流體的運(yùn)動(dòng)，從而改變流體載荷的分布和大小），不需要設(shè)置相互作用。
11、定義載荷。首先定義流場(chǎng)邊界條件，選用速度入口，大小為0.1m/s，湍流參數(shù)設(shè)置如圖11所示；選用壓力出口，大小為0，湍流參數(shù)設(shè)置如圖12所示；圓柱壁面設(shè)置為wall，No slip（無滑移處理），湍流模型無法更改，默認(rèn)即可，如圖13所示；設(shè)置流體在上下兩個(gè)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(shè)置流體在上下兩個(gè)側(cè)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(gè)側(cè)面方向無限延伸，如圖15所示。
展開 OpenFOAM計(jì)算圓柱繞流，包括所有計(jì)算設(shè)置文件及結(jié)果文件 ￥60
OpenFOAM計(jì)算圓柱繞流，包括所有計(jì)算設(shè)置文件及結(jié)果文件
36 Fluent實(shí)用案例 | FW-H 圓柱繞流氣動(dòng)噪聲計(jì)算
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3.4 邊界條件設(shè)置
根據(jù)幾何圖中的邊界條件對(duì)邊界條件進(jìn)行設(shè)置，具體的設(shè)置如下圖所示，其中速度入口采用69.2m/s，具體設(shè)置如下圖：
3.5 初始化設(shè)置
首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)初始化設(shè)置，具體設(shè)置如下圖：
3.6 計(jì)算設(shè)置
此處進(jìn)行的計(jì)算設(shè)置如下：
4 FW-H計(jì)算設(shè)置
4.1 FW-H模型開啟
首先對(duì)圓柱繞流進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)升力和阻力等結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定后，開啟對(duì)應(yīng)的聲學(xué)模型，相關(guān)模型設(shè)置如下圖所示。
