圓柱繞流的案例
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
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展開 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
摘要
圓柱低速定常繞流的流型只與Re數(shù)有關(guān)。在Re≤1時(shí)，流場(chǎng)中的慣性力與粘性力相比居次要地位，圓柱上下游的流線前后對(duì)稱，阻力系數(shù)近似與Re成反比(阻力系數(shù)為10~60)，此Re數(shù)范圍的繞流稱為斯托克斯區(qū)；隨著Re的增大，圓柱上下游的流線逐漸失去對(duì)稱性。
當(dāng)Re>4時(shí)，沿圓柱表面流動(dòng)的流體在到達(dá)圓柱頂點(diǎn)（90度）附近就離開了壁面，分離后的流體在圓柱下游形成一對(duì)固定不動(dòng)的對(duì)稱漩渦（附著渦），渦內(nèi)流體自成封閉回路而成為“死水區(qū)”（阻力系數(shù)2～4）；隨著Re的增大，死水區(qū)逐漸拉長(zhǎng)圓柱前后流場(chǎng)的非對(duì)稱性逐漸明顯，此Re數(shù)范圍稱為對(duì)稱尾流區(qū)。Re>40以后，附著渦瓦解，圓柱下游流場(chǎng)不再是定常的，圓柱后緣上下兩側(cè)有渦周期性地輪流脫落，形成規(guī)則排列的渦陣，這種渦陣稱為卡門渦街；此Re數(shù)范圍稱為卡門渦街區(qū)（阻力系數(shù)1～2）。
Re>300以后，圓柱后的“渦街”逐漸失去規(guī)則性和周期性，但分離點(diǎn)（約82度）前圓柱壁面附近仍為層流邊界層，分離點(diǎn)后為層流尾流。當(dāng)Re*>200000~400000時(shí)，層流邊界層隨時(shí)有可能轉(zhuǎn)涙為湍流，分離點(diǎn)后移至100度以后，湍流時(shí)繞流尾跡寬度減小，阻力系數(shù)驟減（從1減到0.2）。
2. 物理模型介紹
在一定條件下的來流繞過一些物體是，物體兩側(cè)會(huì)周期性地脫落處旋轉(zhuǎn)方向相反，并排列成有規(guī)則的雙列渦旋。為研究這一具有明顯流動(dòng)特征的流動(dòng)，現(xiàn)以ANSYS18.0作為計(jì)算平臺(tái)，并將圓柱作為繞流流動(dòng)結(jié)構(gòu)研究的物理模型進(jìn)行研究。
本案例所模擬的是低雷諾數(shù)圓柱繞流。圖1是模型示意圖，模型中圓柱直徑10mm，計(jì)算域X*Y*Z為100mm*200mm*1mm。
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。
ABAQUS/CFD圓柱繞流實(shí)現(xiàn)卡門渦街
圖1 圓柱繞流實(shí)驗(yàn)中觀察到的卡門渦街現(xiàn)象
二、ABAQUS中實(shí)現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象
ABAQUS作為一款功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，自帶“大型動(dòng)畫制作”功能。本部分內(nèi)容將簡(jiǎn)單介紹如何在ABAQUS中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的卡門渦街現(xiàn)象。
本部分內(nèi)容需要用到ABAQUS/CFD模塊，最終實(shí)現(xiàn)的效果如圖2所示。借助該案例也簡(jiǎn)單介紹一下CFD模塊的具體建模過程。
圖2 ABAQUS中圓柱繞流產(chǎn)生卡門渦街
建模步驟
1、打開ABAQUS6.14，選擇With CFD Model；
2、創(chuàng)建Part-KarmanVortex，Part設(shè)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(shè)置
圖4 Part草圖參數(shù)設(shè)置
圖5 拉伸厚度
3、對(duì)部件進(jìn)行分區(qū)，各部分參數(shù)如圖6所示。
展開 基于PINN的極少監(jiān)督數(shù)據(jù)二維非定常圓柱繞流模擬
本論文利用飛槳框架和科學(xué)計(jì)算工具組件PaddleScience，首次實(shí)現(xiàn)了基于物理信息約束神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（PINN）方法，利用極少量監(jiān)督點(diǎn)模擬二維非定常不可壓縮圓柱繞流。通過與基于有限體積法（FVM）的CFD求解方法對(duì)比，證明PINN方法在求解精度上能夠達(dá)到FVM方法同等的精度。同時(shí)利用預(yù)先訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型，每個(gè)時(shí)間步的結(jié)果預(yù)測(cè)只需8ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于FVM方法計(jì)算速度，這是因?yàn)镻INN方法可以在GPU上實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間步的并行計(jì)算。但是PINN模型的訓(xùn)練較為耗時(shí)，未來需要開發(fā)更高效的算法來解決訓(xùn)練耗時(shí)長(zhǎng)的問題。
研究方法
二維非定常不可壓圓柱繞流問題描述
二維非定常不可壓縮圓柱繞流是一種典型的非定常不可壓縮流體現(xiàn)象，包含了流動(dòng)邊界層、流動(dòng)分離、逆壓梯度、粘性耗散等典型的流動(dòng)現(xiàn)象，常常被用來驗(yàn)證數(shù)值求解算法。在本論文中，我們也選用圓柱繞流作為驗(yàn)證案例，選取的圓柱繞流幾何和邊界設(shè)置如圖2所示。
整體流動(dòng)為長(zhǎng)方形區(qū)域，左側(cè)為速度入口，右側(cè)為壓力出口，上下界面為無限遠(yuǎn)界面（即不設(shè)置邊界條件），中間放置了一個(gè)直徑為D=1cm的圓柱。圓柱表面滿足無滑移條件，速度為0m/s。左側(cè)入口的速度為1m/s，右側(cè)的壓力為0Pa。流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)為
0.4cm2/s
，密度為1kg/m3。根據(jù)上述參數(shù)，可以確定流動(dòng)的雷諾數(shù)Re=250。流動(dòng)的初始時(shí)刻狀態(tài)由CFD軟件OpenFOAM進(jìn)行非定常模擬結(jié)果得到，其中OpenFOAM的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.5ms。
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。
[問題討論]基于ICEM和FLUENT的二維圓柱繞流嵌套網(wǎng)格實(shí)例
不同雷諾數(shù)下圓柱繞流仿真計(jì)算[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(12):129-132. [2017-09-22].
本文轉(zhuǎn)自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_af99efb50102xoh3.html，有刪減。
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。
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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
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。
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 FLUENT精典案例#371-低雷諾數(shù)層流串列雙圓柱繞流仿真
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FLUENT精典案例#371-低雷諾數(shù)層流串列雙圓柱繞流仿真
01
問題介紹
如下圖所示的兩個(gè)圓柱尺寸為直徑D=0.04m間距5D，計(jì)算域?yàn)?mx2m。計(jì)算雷諾數(shù)200的層流非定常工況，監(jiān)測(cè)圓柱上的升力、阻力和渦街。假設(shè)流體介質(zhì)為空氣，密度為1，粘度 為0.0002，來流速度為1。
除了貼體網(wǎng)格，還有更便捷的網(wǎng)格技術(shù)嗎？
Re=20，圓柱繞流，速度x方向分量分布
Re=100，圓柱繞流，速度x方向分量分布
這里將基于IST網(wǎng)格技術(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與前人數(shù)值及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如下表所示，對(duì)比結(jié)果良好，基于IST網(wǎng)格技術(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)及浸入邊界法計(jì)算結(jié)果基本一致。
基于IST網(wǎng)格方法的VirtualFlow計(jì)算結(jié)果與前人結(jié)果對(duì)比
這里進(jìn)一步給出了基于IST網(wǎng)格技術(shù)的VirtualFlow對(duì)圓柱繞流問題的數(shù)值結(jié)果，如下圖所示，分別為速度在正交方向上的分解以及壓力情況。
基于IST網(wǎng)格技術(shù)的VirtualFlow對(duì)圓柱繞流問題的數(shù)值結(jié)果
這里給出了基于IST網(wǎng)格技術(shù)的VirtualFlow在Re=40、100及50-200和3900情況下的圓柱繞流問題的數(shù)值結(jié)果與Thom(1933)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及Correlation Lange(1998)結(jié)果的對(duì)比情況，可以看到對(duì)比情況良好，基于IST網(wǎng)格技術(shù)的VirtualFlow計(jì)算結(jié)果與前人結(jié)果跟隨性良好。
VirtualFlow計(jì)算結(jié)果與前人結(jié)果定量對(duì)比
這里進(jìn)一步給出基于IST網(wǎng)格技術(shù)的VirtualFlow數(shù)值計(jì)算結(jié)果與前人數(shù)值結(jié)果就St for Re=300、CD及CL三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如下表所示，對(duì)比結(jié)果良好，與前人結(jié)果基本一致。
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