摘要：采用ICEM軟件，基于結構化網(wǎng)格與非結構化網(wǎng)格的混合網(wǎng)格，運用FLUENT平臺，對特征參數(shù)為α=90°、AR=0.25單橢圓柱進行氣動力干擾效應研究，并將模擬的結果與文獻及全結構化網(wǎng)格進行對比分析。結果表明，混合網(wǎng)格相較于結構化網(wǎng)格的數(shù)值模擬結果與文獻相比偏差稍大，但均在理論結果范圍內(nèi)，因此可應用于計算當中，并可作為不同入流攻角下多橢圓柱繞流提供一種網(wǎng)格劃分方法。

關鍵詞：橢圓柱； 氣動干擾； 升阻力系數(shù)； 斯托羅哈數(shù)； 網(wǎng)格劃分

中圖分類號：V211文獻標志碼：A

0引言

風是由空氣流動而引起的自然現(xiàn)象，由同一水平面上受熱輻射不均勻所形成的水平氣壓梯度力所產(chǎn)生的。由于空氣動力產(chǎn)生風力，因此研究對空氣動力學的風工程發(fā)展具有十分重要的意義。由于大多數(shù)工程結構對風表現(xiàn)為鈍體形狀，因此研究鈍體繞流問題具有非常廣泛的實際應用意義。學者們在20世紀初就提出了相關的理論，著名德國物理學家普朗特［1］最早提出“邊界層”理論；20世紀中期馮.卡門［2］對不可壓縮黏性流體提出“卡門渦街”。這些理論為后續(xù)鈍體繞流發(fā)展奠定堅實的基礎。

橢圓柱作為一種介于圓柱和平板之間的鈍體，深入研究橢圓柱繞流問題，有利于發(fā)現(xiàn)鈍體繞流中具有普適性的規(guī)律。

1計算模型及網(wǎng)格劃分

本文基于CFD方法，運用fluent平臺，對Re=150下特征參數(shù)為α=90°、AR=0.25的單橢圓柱繞流分別用全結構化網(wǎng)格及結構化網(wǎng)格與非結構化網(wǎng)格的混合網(wǎng)格進行數(shù)值分析。橢圓柱長軸為0.008 m，短軸為0.002 m。

1.1全結構化網(wǎng)格劃分及計算參數(shù)

流場尺寸如圖1所示，采用的橢圓柱特征長度D=0.008 m，為避免橫向邊界效應，計算區(qū)域上下對稱邊界與橢圓柱中心的距離為50D。上游距離為50D，并采用大的下游距離100D以有足夠距離來捕獲尾流演變。本文中使用的上下游距離足夠長，避免了邊界對結果的影響，也保證了計算精度。

采用層流Laminar模型，使用Fluent軟件求解不可壓縮牛頓流體方程和N-S方程。整個計算區(qū)域生成結構四邊形網(wǎng)格并在在橢圓柱中心附近的10D×10D的正方形區(qū)域中生成細網(wǎng)格見圖2（a）。第一格距離橢圓柱表面0.000 2 m，并且沿徑向以1.02的膨脹比拉伸，在橢圓柱體外圍方向的網(wǎng)格沿展項以一定增長率擴散，形成的網(wǎng)格如圖2所示。

流場左側(cè)邊界設置為速度入口，右側(cè)邊界設置為壓力出口，上下側(cè)設置為對稱邊界，橢圓柱表面設置為不滑移邊界條件。當雷諾數(shù)150

U=Re·μρD（1）

式中：μ為動力粘度，取值為1.7894×10-5 Pa·s；ρ為流體密度，取值為1.225 kg/m3；D為橫截面特征長度，取值為0.008 m；Re為雷諾數(shù)，本文所取值為150；代入公式求得X方向速度U=0.2739 m/s。

1.2混合網(wǎng)格劃分及計算參數(shù)

如圖3所示，混合網(wǎng)格所采用的流場區(qū)域尺寸與結構化網(wǎng)格流場尺寸相同，區(qū)別在于在單橢圓柱中心附近2.5D×2.5D區(qū)域內(nèi)展開非結構網(wǎng)格，非結構網(wǎng)格整體網(wǎng)格比例為1.0，整體元素種子大小最大元素比例為0.2，采用的非結構化網(wǎng)格類型以四邊形網(wǎng)格為主，并在橢圓柱表面0.0001 m處區(qū)域附近加密網(wǎng)格，非結構化網(wǎng)格局部網(wǎng)格數(shù)量為16 024，整體網(wǎng)格的數(shù)量為35萬～36萬，形成的網(wǎng)格如圖4所示邊界條件及來流速度均與結構化網(wǎng)格設置相同。

2數(shù)值模擬結果與分析

圖4、圖5分別為在兩種不同類型網(wǎng)格下單橢圓柱繞流升阻力系數(shù)時程圖。可以看出在兩種網(wǎng)格下的升阻力系數(shù)均在一定范圍內(nèi)波動并具有穩(wěn)定的幅值。混合網(wǎng)格的升阻力系數(shù)波動范圍雖然比全結構化網(wǎng)格稍小，但均在理論范圍內(nèi)。再通過下式得出橢圓柱斯托羅哈數(shù)St見式（2）。

St=fVDU（2）

式中：fV為橢圓柱升力頻率；D為橢圓柱特征長度，為0.008 m；U為入流速度，為0.273 9 m/s。

在表1中對混合網(wǎng)格單橢圓柱體混合網(wǎng)格與文獻及上一章結構化網(wǎng)格模擬中的D和St進行了對比?？梢钥闯鲇捎诖嬖诜墙Y構化網(wǎng)格，網(wǎng)格計算結果與Shi［4］的偏差和結構化網(wǎng)格相比較稍大，D的計算偏差為5.6%，St的計算偏差為3.6%，但均在可以接受的偏差范圍內(nèi)，可以應用于計算當中。

3結論

本文采用ICEM軟件，基于結構化網(wǎng)格與非結構化網(wǎng)格的混合網(wǎng)格，運用FLUENT平臺，對特征參數(shù)為α=90°、AR=0.25單橢圓柱進行氣動力干擾效應研究，并將模擬的結果與文獻及全結構化網(wǎng)格進行對比分析。結果表明，混合網(wǎng)格相較于結構化網(wǎng)格的數(shù)值模擬結果與文獻相比偏差稍大，但均在理論結果范圍內(nèi)，因此可應用于計算當中，這種網(wǎng)格劃分方法可為研究不同入流攻角下多橢圓柱繞流提供參考。

參考文獻

［1］Prandtl Ludwig S H. Boundary Layer Theory［J］. Verhandlungen des drilten internalionalen Malhematiker-Kongresses， 1904：484-491.

［2］ Karman. Collected work of Theodore von Karman［M］. UK： Butterworths Scientific Publication，1956.

［3］王宇.橢圓柱繞流及氣動干擾效應數(shù)值模擬研究［D］. 成都： 西南交通大學，2021.

［4］Shi X， Alam M， Bai H . Wakes of elliptical cylinders at low Reynolds number［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow， 2020， 82：108553-

［作者簡介］劉嘉豪（1998—），男，碩士，研究方向為結構風工程。