渦流模擬
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
渦流模擬的視頻教程
出水孔的流體渦流的FLUENT仿真，視頻免費無聲音，操作細致，提供附件（需購買）練習。
本案例以出水孔為研究對象，演示了如何使用大渦模擬（LES）和流體體積模型（VOF）來模擬流體渦流。
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渦流模擬的實例教程
影響渦旋脫落頻率的因素
表面粗糙度
表面粗糙度導致氣流更早分離，形成更不穩定和更大的渦流。
攻角
在低攻角下，沒有渦流脫落。
隨著攻角的增加，分離開始發生得更早，導致渦旋脫落頻率增加，脫落模式更強。
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——氣流與結構之間更強的相互作用導致頻繁的渦流脫落。
流動行為
層流（低雷諾數）通常幾乎沒有渦旋脫落。
湍流行為（高雷諾數）會在較高頻率下產生許多較小的復雜模式渦流。
在飛機設計過程中，必須仔細研究上述因素的綜合影響，避免對飛機的安全和性能產生重大影響。一種方法是使用渦旋脫落模擬。
用于分析飛機性能的渦旋脫落模擬
渦流脫落對飛機中引起的升力和阻力有顯著影響。這些空氣動力的預測及其對飛機性能的影響通過基于 CFD 的渦流脫落模擬得到簡化。工程師可以模擬飛機周圍的流動行為來分析渦流脫落頻率并評估其對“鈍體”部件的影響。獲得的結果可以為有關空氣動力學表面設計優化的決策提供信息，從而最大限度地減少渦流脫落對飛機性能和穩定性的影響。
渦旋脫落分析的 CFD 模擬涉及求解與飛機表面周圍流體運動相關的Navier-Stokes 方程。可以分析表面上的壓力分布以計算作用在飛機上的升力和阻力。
展開 在數學上，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
Vo 是流體流動的速度
D是圓柱體的直徑
通過高效的流體系統分析減少渦流脫落
渦流脫落可能不利于流體流動系統在共振頻率或接近共振頻率下的運行。因此，探索減少渦流脫落的方法至關重要。徹底的渦流脫落分析有助于評估：
鈍體結構及其對渦流形成的影響
流體系統分析——結構材料的機械性能和流體特性（溫度、壓力、速度）
流固耦合過程中系統中產生的應力
共振頻率和 VIV 評估
借助 CFD 工具可以更好地執行分析。這些工具不僅可以幫助模擬渦流脫落行為，而且還可以通過求解與流體相關的 Navier-Stokes 方程來深入了解流動動力學。
如上所述，為減少管道流系統中的渦流脫落，建議提供更多的管道支撐以抵消振動。許多實驗還發現，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 工具可幫助您設計可靠的流動系統
Cadence 的 CFD 工具有助于解決流體通過阻流體時的復雜流動問題。這些工具可以對復雜的渦流脫落行為進行數值模擬，并解決壓力、速度和頻率校正問題——所有減少渦流脫落以優化流體系統所需的關鍵計算。
文章來源：cadence博客
展開 采用ABAQUS軟件Step by Step演示如何模擬卡門渦流：
與基礎工況相比，模擬的渦流模式發生了顯著變化(圖5)。首先，可以看到相同的射流發展(圖5a)。然而，它的位置略有不同。因此初級渦旋的環流略微增強，而形成的次級環流則略弱于基礎工況的次級環流(圖5b)。因此，在使用全場統一的曼寧粗糙度系數后，主渦旋不會隨著時間的推移而消失(圖5c)，最終在退潮階段在港口仍存在有兩個渦流，而不是一個(圖5d)，這與ADCP的測量結果是不一致的。
圖5 在不增加港口沿岸底部摩擦時，渦旋演變過程圖
B．湍流模型/渦流粘度
為了測試水平湍流模型設置對港口模型的敏感性，IMDC的工程師采用了水平渦流粘度恒定為1 m2/s的模型來進行仿真計算。計算表明，采用恒定水平渦流粘度模型時結果比水平渦流粘度約為0.01 m2/s的Smagorinsky格式略高。高粘度系數的使用削弱了港口入口處的射流(圖6a)。隨著時間演進，次級渦旋產生，但仍弱于主渦旋(圖6b)。因此在這種情況下，在退潮開始時，主渦旋仍留在港口(圖6c)，且比次級渦旋略強。然而，隨著時間演進，主渦旋最終消失，流動方向最終與ADCP的測量結果相同(圖6d)。
圖6 采用1m2/s的恒定水平粘滯度的模型計算結果
06 研究結論
IMDC的工程師為了研究澤布魯日港的渦旋，建立了三維水動力的模型。經過對比驗證，水動力模型的計算結果與ADCP的實際測量結果吻合度高。當一個強入流輸入港口，在高水位到達前會形成一個強射流，該射流將產生一個順時針旋轉的主渦旋和一個逆時針旋轉的次級渦旋，其中只有逆時針的次級渦旋在退潮時仍然可見。對水動力模型的敏感性分析表明，計算結果對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導致港口內出現不同數量的渦。
展開 本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內的強渦流運動，仿真結果如圖所示：
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的物理作用 實現并比較主要SGS模型：Smagorinsky、WALE、k方程、動力學和混合模型 RANS–LES（DES/IDDES）
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建立并運行針對方柱
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體湍流的實用LES模擬分析渦流脫落
因此，LES 模型將對流動應用濾波器，直接解決大渦流，同時模擬較小的渦流。
圖 5 ICFD湍流模型
3. LS-DYNA ICFD 心臟瓣膜模擬
3.1模型介紹
本血流動力學實例突出了 ICFD 求解器的最強 FSI 能力。由于壓力差，心臟瓣膜小葉打開以允 許血液流動。然后，強烈的反壓迫使它們再次關閉，血流量減少。
與基礎工況相比，模擬的渦流模式發生了顯著變化(圖5)。首先，可以看到相同的射流發展(圖5a)。然而，它的位置略有不同。因此初級渦旋的環流略微增強，而形成的次級環流則略弱于基礎工況的次級環流(圖5b)。
在本文中，我們將了解使用計算流體動力學 (CFD) 的渦流脫落模擬如何幫助我們了解通過飛機機身時遇到的流動模式，以及仔細的設計考慮對于減少任何負面影響是多么重要。
飛機渦流脫落
渦流脫落是流體通過阻流體時產生的流動現象，引起渦流的形成。漩渦是沿著物體的每一側交替出現的漩渦圖案。
在飛機中，機翼、機身和其他結構部件在氣流途中起到阻流體的作用。
同年，應力混合渦流模擬 (SBES) 湍流模型 克服了混合 RANS-LES 模擬的固有問題。大渦模擬 (LES) 在近壁區域的成本高得不切實際，而雷諾平均納維-斯托克斯 (RANS) 模型非常適合壁邊界層。混合 RANS-LES 模型使用 RANS 湍流模型提供高效的近壁建模，并使用 LES 方法提供遠離壁的高保真解決方案，但傳統上在這兩者之間切換會遇到網格依賴性和錯誤的網格引起的流動分離。
這些工具不僅可以幫助模擬渦流脫落行為，而且還可以通過求解與流體相關的 Navier-Stokes 方程來深入了解流動動力學。
如上所述，為減少管道流系統中的渦流脫落，建議提供更多的管道支撐以抵消振動。許多實驗還發現，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。
本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內的強渦流運動，仿真結果如圖所示：
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采用反應速率受湍流混合速率限制的渦流耗散模型模擬預混燃燒(丙烷)期間發生的化學反應。在液體蒸發模型中使用Antoine方程假設，確定燃燒室中能量轉移期間的液滴特性(溫度、速度、直徑等)。液滴蒸發后，利用有限速率化學模型求解擴散燃燒（非預混合乙醇蒸氣）期間發生的化學反應速率。根據每個顆粒的韋伯和雷諾數，采用分散液滴的Blob法和分散固體的ETAP法對顆粒破裂進行模擬。
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采用ABAQUS軟件Step by Step演示如何模擬卡門渦流：
