单圆柱及双圆柱绕流的大涡模拟.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 单圆柱及双圆柱绕流的大涡模拟 姓名：贾晓荷 申请学位级别：硕士 专业：港口、海岸及近海工程 指导教师：刘桦 20080101 上海交通大学硕士论文 第 I 页 单圆柱及双圆柱绕流的大涡模拟单圆柱及双圆柱绕流的大涡模拟 摘摘 要要 圆柱和圆柱群广泛应用于工程领域绕流是最常见的物理现象，当 流体绕过非流线型结构物时，在一定的流动工况下会发生结构物后的漩 涡脱落现象，交替产生的周期性的漩涡会诱发与来流垂直方向上产生周 期性变化的流体作用力，致使结构物产生振动，严重时会使结构物损坏 对于圆柱群，由于圆柱间相互作用力的存在，作用在圆柱上力的大小与 单圆柱有较大区别在流体力学中，圆柱绕流问题的研究已经成为基础 研究和工程领域中有意义的课题之一 基于 FLUENT 软件平台上的大涡模拟方法，对定常来流流场中单圆 柱及不同排列形式的双圆柱的进行了水动力计算，并对瞬时流场、时均 流场及圆柱受力进行了分析 单圆柱情况下，当 Re=3900 时，圆柱表面的压力系数在正对来流处 为 1，随着向周围扩展，压力系数值减小，达到最小值后很快增大到一 个较为稳定的值，并在圆柱背后形成稳定的压力分布，分离角 θsep=72°， 与实验值接近；Cd、Cl变化的频率满足 fd=2fl，无量纲的脱涡频率满足 St≈0.216；流体绕过圆柱后，在圆柱尾部约 1D 范围内形成回流区。

当 Re=6×104时，串列双圆柱中上游圆柱受力明显大于下游圆柱，下 上海交通大学硕士论文 第 II 页 游圆柱 Cd、Cl变化的频率满足 fd=2fl，两圆柱脱涡频率近似相同，涡街相 位相同；并列双圆柱 Cd基本相等，且变化趋势有一定的相似性，脱涡频 率接近单个圆柱， 涡街相位相反； 交错 45°排列的两个圆柱 Cd基本相等， 脱涡频率接近，下游圆柱的涡街相位明显滞后于上游圆柱 关键词： 大涡模拟，亚格子模式，圆柱绕流 上海交通大学硕士论文 第 III 页 LARGE EDDY SIMULATION OF FLOW AROUND ONE AND TWO CIRCULAR CYLINDERS ABSTRACT Circular cylinder and cylinders are widely used in engineering field. The phenomenon of flow around structures can be seen in our daily life. The eddies will be sheded when flow pass structures that are not streamline, and the periodically changing forces caused by the shedding eddied will make the structures vibrated, or even destroyed. For a group of circular cylinders, the pressure on cylinders will be different with it on a single cylinder because of the interation between cylinders near by. In hydrodynamics, flow around cylinders has been one of the significant problems in foundamental research and engineering field. Based on the LES method of FLUENT, flow around one and two circular cylinders arranged differently was carried out, the instantaneous and time averaged flow field and the force on circular cylinders ware analyzed. For the single cylinder, when the Reynolds number equals to 3900, the pressure coefficient on the cylinder is equal to 1.0 in front of the cylinder, reduces to minimum along with the extention to the round of the cylinder, 上海交通大学硕士论文 第 IV 页 then increases to a steady value rapidely, and the pressure distributes steady behind the cylinder. The separate angle is equal to 72°, which is approach to the experimental data. The frequency of the drag force coefficient is twice of the lift force coefficient, and the Strouhal number is equal to 0.216. There is a recirculation region which is about 1D long behind the cylinder. When the Reynolds number equals to 6×104, for the two circular cylinders arranged tandem, the pressure on cylinder downstream is obviously smaller than the cylinder upstream, its frequency of the drag force coefficient is twice of the lift force coefficient, and their frequencies of eddy shedding are approximately the same, and their phases of the vortex street are the same; for the two circular cylinders arranged side by side, their drag force coefficients are approximately the same, and their frequencies of eddy shedding are approach to the single cylinder, and their vortex street have opposite phases; for the two circular cylinders arranged staggered 45°, they have the same frequency of eddy shedding, and the vortex street phase of the cylinder downstream is later than the cylinder upstream obviously. KEY WORDS: large eddy simulation, sub grid-scale model, flow around cylinders 上海交通大学硕士论文 第 IV 页 January, 2008 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立 进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名贾晓荷 日期 2 0 0 8 年 4 月 8 日 上海交通大学硕士论文 第 V 页 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许 论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名贾晓荷 指导教师签名刘 桦 日期 2 0 0 8 年 4 月 8 日 日期 2 0 0 8 年 4 月 8 日 上海交通大学硕士论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 研究意义 柱和柱群是工程中普遍采用的结构形式，特别是圆柱和圆柱群广泛的应用于航 空、航海、土木、机械等诸多工程领域。

绕流是最常见的物理现象，如航行中的飞 机、水中行驶的船舶、海上的石油平台以及桥墩等，都存在绕流当流体绕过非流 线型结构物时，在一定流动工况下会发生结构物后漩涡脱落的现象，交替产生的周 期性的漩涡会诱发结构物与来流垂直方向上产生周期性变化的流体作用力，致使结 构物产生振动，严重时会使结构物损坏在多个圆柱情况下，由于圆柱间相互作用 力的存在，压力大小及作用在圆柱上的力的大小与单独圆柱有较大区别在流体力 学中，这类问题的研究已经成为基础研究和工程领域中有意义的课题之一 本研究是国家自然科学基金“跨海桥梁工程的水动力学基础问题研究”项目中的 一部分，主要研究单圆柱及不同排列形式的双圆柱的水动力学问题，包括圆柱尾流 区的流场结构、圆柱的受力情况等 本文主要在 FLUENT 平台上，用大涡模拟方法研究定常来流流场中单圆柱及不 同排列形式的双圆柱的水动力特性 1.2 定常来流流场中单圆柱及双圆柱的实验结果 1.2.1 定常来流流场中单圆柱的实验结果 （1）流场特征 当圆柱在静止流体中运动时，或圆柱静止不动，而流体从无限远处以某一速度 流向圆柱时，圆柱后将会出现漩涡，在不同的Re数下，柱体后产生不同的漩涡形态， 上海交通大学硕士论文 第 2 页 参照夏国泽（2003）的《船舶流体力学》教材，描述如表 1-1： 表 1-1 不同Re数下圆柱后的漩涡形态 Tab.1-1 Vortex of flow around a circular cylinder at different Renolds numbers Re 漩涡脱落形式 Re的盒子以外，过滤函数仍有微小的震荡。

这种情况在研究大涡模拟的亚格 子模式时应当考虑，也就是说，在谱空间过滤得到的亚格子应力不等简单的等同于 在物理空间过滤得到的亚格子应力，只有高斯滤波器除外在数值模拟中物理空间 的过滤尺度l可以等于离散网格长度，也可以大于离散网格长度 经过过滤后，湍流速度可以分解为低通脉动速度 i u和剩余脉动速度 ' i u之和 ' iii uuu=+ （2-8） 上海交通大学硕士论文 第 13 页 低通脉动将由大涡数值模拟方法解出，因此成为可解尺度脉动；剩余脉动成为不可 解尺度脉动或亚格子尺度脉动 一般情况下，只有均匀过滤过程存在过滤运算的可交换性，在非均匀过滤时， 需要设计专门的过滤器才能保证过滤和求导的可交换性 2.2 大涡模拟的控制方程 大涡模拟的控制方程仍然为不可压缩流体的N-S方程，LES中大尺度的速度为 滤波速度（filtered velocity） ，定义为： ( , )( , ', ) ( ', )' ii u x tG x xu x t dx=∆ ∫ （2-9）。