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        基于混合網(wǎng)格的橢圓柱繞流氣動力干擾效應分析

        2024-06-04 17:55:24劉嘉豪
        四川建筑 2024年2期

        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。

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