渦流脫落模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
渦流脫落模擬的實(shí)例教程
影響渦旋脫落頻率的因素
表面粗糙度
表面粗糙度導(dǎo)致氣流更早分離，形成更不穩(wěn)定和更大的渦流。
攻角
在低攻角下，沒(méi)有渦流脫落。
隨著攻角的增加，分離開(kāi)始發(fā)生得更早，導(dǎo)致渦旋脫落頻率增加，脫落模式更強(qiáng)。
速度
氣流的速度影響渦流的形成和行為。
高空速意味著高渦流脫落頻率——?dú)饬髋c結(jié)構(gòu)之間更強(qiáng)的相互作用導(dǎo)致頻繁的渦流脫落。
流動(dòng)行為
層流（低雷諾數(shù)）通常幾乎沒(méi)有渦旋脫落。
湍流行為（高雷諾數(shù)）會(huì)在較高頻率下產(chǎn)生許多較小的復(fù)雜模式渦流。
在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須仔細(xì)研究上述因素的綜合影響，避免對(duì)飛機(jī)的安全和性能產(chǎn)生重大影響。一種方法是使用渦旋脫落模擬。
用于分析飛機(jī)性能的渦旋脫落模擬
渦流脫落對(duì)飛機(jī)中引起的升力和阻力有顯著影響。這些空氣動(dòng)力的預(yù)測(cè)及其對(duì)飛機(jī)性能的影響通過(guò)基于 CFD 的渦流脫落模擬得到簡(jiǎn)化。工程師可以模擬飛機(jī)周圍的流動(dòng)行為來(lái)分析渦流脫落頻率并評(píng)估其對(duì)“鈍體”部件的影響。獲得的結(jié)果可以為有關(guān)空氣動(dòng)力學(xué)表面設(shè)計(jì)優(yōu)化的決策提供信息，從而最大限度地減少渦流脫落對(duì)飛機(jī)性能和穩(wěn)定性的影響。
渦旋脫落分析的 CFD 模擬涉及求解與飛機(jī)表面周圍流體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的Navier-Stokes 方程。可以分析表面上的壓力分布以計(jì)算作用在飛機(jī)上的升力和阻力。
展開(kāi) 在數(shù)學(xué)上，頻率可以表示為：
Fs 是渦流脫落頻率或斯特勞哈爾頻率
S 是斯特勞哈爾數(shù)
Vo 是流體流動(dòng)的速度
D是圓柱體的直徑
通過(guò)高效的流體系統(tǒng)分析減少渦流脫落
渦流脫落可能不利于流體流動(dòng)系統(tǒng)在共振頻率或接近共振頻率下的運(yùn)行。因此，探索減少渦流脫落的方法至關(guān)重要。徹底的渦流脫落分析有助于評(píng)估：
鈍體結(jié)構(gòu)及其對(duì)渦流形成的影響
流體系統(tǒng)分析——結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能和流體特性（溫度、壓力、速度）
流固耦合過(guò)程中系統(tǒng)中產(chǎn)生的應(yīng)力
共振頻率和 VIV 評(píng)估
借助 CFD 工具可以更好地執(zhí)行分析。這些工具不僅可以幫助模擬渦流脫落行為，而且還可以通過(guò)求解與流體相關(guān)的 Navier-Stokes 方程來(lái)深入了解流動(dòng)動(dòng)力學(xué)。
如上所述，為減少管道流系統(tǒng)中的渦流脫落，建議提供更多的管道支撐以抵消振動(dòng)。許多實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在鈍體（例如熱電偶套管）上增加螺旋槽有利于最大限度地減少渦流脫落的影響。
CFD 工具可幫助您設(shè)計(jì)可靠的流動(dòng)系統(tǒng)
Cadence 的 CFD 工具有助于解決流體通過(guò)阻流體時(shí)的復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題。這些工具可以對(duì)復(fù)雜的渦流脫落行為進(jìn)行數(shù)值模擬，并解決壓力、速度和頻率校正問(wèn)題——所有減少渦流脫落以優(yōu)化流體系統(tǒng)所需的關(guān)鍵計(jì)算。
文章來(lái)源：cadence博客
展開(kāi) 采用ABAQUS軟件Step by Step演示如何模擬卡門渦流：
本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內(nèi)的強(qiáng)渦流運(yùn)動(dòng)，仿真結(jié)果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎交流
與基礎(chǔ)工況相比，模擬的渦流模式發(fā)生了顯著變化(圖5)。首先，可以看到相同的射流發(fā)展(圖5a)。然而，它的位置略有不同。因此初級(jí)渦旋的環(huán)流略微增強(qiáng)，而形成的次級(jí)環(huán)流則略弱于基礎(chǔ)工況的次級(jí)環(huán)流(圖5b)。因此，在使用全場(chǎng)統(tǒng)一的曼寧粗糙度系數(shù)后，主渦旋不會(huì)隨著時(shí)間的推移而消失(圖5c)，最終在退潮階段在港口仍存在有兩個(gè)渦流，而不是一個(gè)(圖5d)，這與ADCP的測(cè)量結(jié)果是不一致的。
圖5 在不增加港口沿岸底部摩擦?xí)r，渦旋演變過(guò)程圖
B．湍流模型/渦流粘度
為了測(cè)試水平湍流模型設(shè)置對(duì)港口模型的敏感性，IMDC的工程師采用了水平渦流粘度恒定為1 m2/s的模型來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算表明，采用恒定水平渦流粘度模型時(shí)結(jié)果比水平渦流粘度約為0.01 m2/s的Smagorinsky格式略高。高粘度系數(shù)的使用削弱了港口入口處的射流(圖6a)。隨著時(shí)間演進(jìn)，次級(jí)渦旋產(chǎn)生，但仍弱于主渦旋(圖6b)。因此在這種情況下，在退潮開(kāi)始時(shí)，主渦旋仍留在港口(圖6c)，且比次級(jí)渦旋略強(qiáng)。然而，隨著時(shí)間演進(jìn)，主渦旋最終消失，流動(dòng)方向最終與ADCP的測(cè)量結(jié)果相同(圖6d)。
圖6 采用1m2/s的恒定水平粘滯度的模型計(jì)算結(jié)果
06 研究結(jié)論
IMDC的工程師為了研究澤布魯日港的渦旋，建立了三維水動(dòng)力的模型。經(jīng)過(guò)對(duì)比驗(yàn)證，水動(dòng)力模型的計(jì)算結(jié)果與ADCP的實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合度高。當(dāng)一個(gè)強(qiáng)入流輸入港口，在高水位到達(dá)前會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)射流，該射流將產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的主渦旋和一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的次級(jí)渦旋，其中只有逆時(shí)針的次級(jí)渦旋在退潮時(shí)仍然可見(jiàn)。對(duì)水動(dòng)力模型的敏感性分析表明，計(jì)算結(jié)果對(duì)靠近港口邊緣的河床摩擦非常敏感，且水平渦流粘滯度的變化也會(huì)導(dǎo)致港口內(nèi)出現(xiàn)不同數(shù)量的渦。
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渦流脫落模擬的最新內(nèi)容
01 研究背景
澤布魯日港（Zeebrugge）是比利時(shí)最重要的海港之一。澤布魯日港附近區(qū)域經(jīng)常發(fā)生強(qiáng)烈的潮汐流，在漲潮時(shí)潮汐振幅可達(dá)5米。由于潮汐的影響，在港口測(cè)量到不斷變化的復(fù)雜渦流。研究在港口處產(chǎn)生的渦旋，特別是懸浮泥沙流經(jīng)港口后的重新分配，不論是出于航海目的還是為了加深對(duì)港口淤積的了解，都是很有必要的。
02 案例展示
本文將講解IMDC的工程師通過(guò)三維水動(dòng)力模塊，開(kāi)展潮汐發(fā)生時(shí)的港口渦流的研究
在本文中，我們將了解使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 的渦流脫落模擬如何幫助我們了解通過(guò)飛機(jī)機(jī)身時(shí)遇到的流動(dòng)模式，以及仔細(xì)的設(shè)計(jì)考慮對(duì)于減少任何負(fù)面影響是多么重要。
飛機(jī)渦流脫落
渦流脫落是流體通過(guò)阻流體時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)現(xiàn)象，引起渦流的形成。漩渦是沿著物體的每一側(cè)交替出現(xiàn)的漩渦圖案。
在飛機(jī)中，機(jī)翼、機(jī)身和其他結(jié)構(gòu)部件在氣流途中起到阻流體的作用。
這些工具可以對(duì)復(fù)雜的渦流脫落行為進(jìn)行數(shù)值模擬，并解決壓力、速度和頻率校正問(wèn)題——所有減少渦流脫落以優(yōu)化流體系統(tǒng)所需的關(guān)鍵計(jì)算。
文章來(lái)源：cadence博客
本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內(nèi)的強(qiáng)渦流運(yùn)動(dòng)，仿真結(jié)果如圖所示：
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采用ABAQUS軟件Step by Step演示如何模擬卡門渦流：
