基于FloEFD的单圆柱绕流数值模拟.pdf

CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGYFloEFD 作为通用计算流体力学和数值传热学解决方案，在航空航天、照明灯具、消费电子、汽车电子等领域已取得成功应用。本文以不可压缩单圆柱钝体绕流问题为例，验证 FloEFD 求解性能。1数学模型1.1控制方程FloEFD 采用有限体积法对 Navier-Stokes 方程组进行数值离散，形式如下：坠u 軈i坠xi=0i=1,2,3蓸蔀(1)坠u 軈i坠t+坠u 軈iu 軈j坠xj=-1籽坠p 軈坠xi+v坠2u 軈i坠xi坠xj+坠子 軈ij坠xji,j=1,2,3蓸蔀(2)子 軈ij=-uiuj-u 軈iu 軈j蓸蔀i,j=1,2,3蓸蔀(3)式中：u 軈i、u 軈j速度分量；p 軈 压力；籽流体密度；淄流体运动粘度；xi、xj空间坐标量；t时间坐标量。1.2控制参数流体绕过圆柱产生作用在柱体表面的交变作用力，可分解为沿流动方向的阻力和垂直流动方向的升力，通常考察二者对应的无因次量阻力系数 CD和升力系数 CL：CD=FD0.5籽HDU2肄(4)CL=FL0.5籽HDU2肄(5)式中：FD圆柱所受沿流动方向阻力；FL圆柱所受垂直流动方向升力；H圆柱浸入流体高度；D圆柱直径；U肄无穷远处来流速度。2数值算例笔者给出本文计算的工况及参数（见表 1）及计算网格（见图 1）。雷诺数 Re 小于 300 时为二维层流模型，圆柱直径 1 m，轴向高度 1 m，计算域1.一重集团大连工程技术有限公司高级工程师，辽宁大连116600基于 FloEFD 的单圆柱绕流数值模拟李昕1摘要：用 FloEFD 软件对不可压缩单圆柱钝体绕流问题进行数值模拟。结果表明，各工况流场分布、升阻力系数趋势良好。关键词：FloEFD；圆柱绕流；升力系数；阻力系数中图分类号：O357.1文献标识码：B文章编号：1673-3355（2023）03-0001-03Numerical Simulation of Flow around Single Cylinder Based on FloEFDLi XinAbstract:This paper carries out numerical simulation of the flow around the blunt body of the incompressible single cylinderby using FloEFD.The results show that the flow field distribution,lift coefficient and drag coefficient under each workingcondition is in favorable trend.Key words:FloEFD；flow around circular cylinder；lift coefficient；drag coefficient10.3969/j.issn.1673-3355.2023.03.00112023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术图 2层流区工况控制参数(i)Re=200 升、阻力系数(j)Re=200 尾迹流线(a)计算域网格(b)圆柱壁面网格图 1计算网格表 1计算工况及参数直径 40 m。采用 O 型结构化网格划分几何体，其中周向单元数 120，径向单元数 150，圆柱壁面首层网格高度为 1E-3 m。雷诺数 Re 大于 300 时为三维标准 k-着 模型。轴向高度 仔m，轴向单元数 32，径向单元数 100，圆柱壁面首层网格高度为 1E-4m，其余同二维模型。3结果分析3.1层流区由模拟结果可知，雷诺数 Re=1 时，流动缓慢无分离，上、下游流场对称。Re=10 和 Re=20 时，在圆柱背面形成两个对称的附着涡，且涡向外拉长，此时阻力系数 CD快速趋于稳定，升力系数 CL保持为零；Re=100 和 Re=200 时，附着涡持续拉长，最终脱落形成周期性的层流涡街（见图 2）。计算工况雷诺数 Re来流速度 U肄(m s-1)运动粘度 淄(m2 s-1)湍流模型层流区1Re3001E011E0层流1E111E-1层流2E115E-2层流1E211E-2层流2E215E-3层流亚临界区300Re3E53E213.33E-3标准 k-着1E311E-3标准 k-着3.9E312.564E-4标准 k-着1E411E-4标准 k-着2E415E-5标准 k-着1E511E-5标准 k-着(a)Re=1 升、阻力系数(b)Re=1 尾迹流线(c)Re=10 升、阻力系数(d)Re=10 尾迹流线(e)Re=20 升、阻力系数(f)Re=20 尾迹流线(g)Re=100 升、阻力系数(h)Re=100 尾迹流线2CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY3.2亚临界区由模拟结果可知，Re=300 时，三维流动特性已经出现，尾迹从层流涡街向湍流涡街过渡；Re=1E3 时，近壁面剪切层出现过渡涡，这种转捩效果在 Re=3.9E3 工况进一步增强；Re 上升到 104数量级之后，近壁面剪切层已经完全转捩为湍流，只有在圆柱后方的区域能看到大尺度涡街的形成与脱落，其脱落后迅速破碎成小尺度涡（见图 3）。3.3结果对比把计算结果同以往成果13对比，其中，黑色实线代表本文计算结果的走势。阻力系数 CD同前人的成果吻合良好，Re约300 时 CD随 Re 增大下降较快，Re跃300 时曲线趋于平缓（见图 4）。4结语本文用 FloEFD 软件分析不可压缩单圆柱钝体绕流问题的流场分布和升阻力系数。结果表明，在适合网格下，FloEFD 能准确解析瞬态流动中的微小尺度特征，可用于流体传动元件优化设计和研发。参考文献1 H.Schlichting.Boundary layer theory M.7th ed.New York,NY:McGraw-Hill,1979.2 詹昊,李万平,方秦汉，等.不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算 J.武汉理工大学学报,2008,30(12):129-132.3 刘强.OpenFOAM 在绕流问题中的应用研究 D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.收稿日期：2023-03-30图 3亚临界区工况控制参数(i)Re=2E4 升、阻力系数(j)Re=2E4 尾迹流线(k)Re=1E5 升、阻力系数(l)Re=1E5 尾迹流线(a)Re=300 升、阻力系数(b)Re=300 尾迹流线(c)Re=1E3 升、阻力系数(d)Re=1E3 尾迹流线(e)Re=3.9E3 升、阻力系数(f)Re=3.9E3 尾迹流线(g)Re=1E4 升、阻力系数(h)Re=1E4 尾迹流线图 4CDRe 关系曲线3