亚临界雷诺数下圆柱与方柱绕流数值模拟_沈立龙.pdfVIP

第35卷第3期 水 道 港 口 Vol.35 No.3 2014 年 6 月 JournalofWaterwayandHarbor Jun. 2014 亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟 沈立龙，刘明维，吴林键，李鹏飞，舒 丹 （重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074； 重庆交通大学河海学院，重庆 400074） 2 5 摘 要：基于RNGk⁃ε模型，采用有限体积法对亚临界雷诺数条件下(Re=3×10~3×10)的二维单圆柱和单 方柱绕流进行数值模拟与仿真。得到了圆柱和方柱绕流阻力系数C 与Strouhal数随雷诺数的变化规 d 律。同时对雷诺数Re=22000下的圆柱、方柱绕流相关特性进行详细对比分析。计算结果表明：同一雷 诺数下，单圆柱绕流阻力系数C较单方柱低，但圆柱的Strouhal数较单方柱则要高。虽然二者边界层分 d 离点不同，但流场的演变与漩涡的脱落具有一定相似特性。 关键词：亚临界雷诺数；圆柱和方柱；绕流；数值模拟；RNGk⁃ε模型 + 中图分类号：TV 143.2；O351 文献标识码：A 文章编号：1005-8443（2014）03-0227-07 钝体绕流现象普遍存在于实际生活中，如桥墩绕流，深海输油立管绕流，飞机机翼绕流，化学反应塔绕 流等。绕过钝体的流体流动极不稳定，周围的流场也变得 ，当涡街发生时，交替产生并脱落的漩涡诱发交变 力，使得被绕流的物体产生振动及噪声，严重时产生共振及声振，对建筑物正常使用安全造成了极大的威 胁。由此，钝体绕流问题现已成为流体力学领域所研究热点问题之一。国内外学者对此进行了大量的模拟 ［1］ 研究，Standsby等人 采用随机涡法对放置方法不同的串列、并排双圆柱进行了数值分析，得到结果与实验 ［2］ 基本相符；苏明德等人 采用二阶精度有限体积法和Smagorinsky涡粘性模式对雷诺数Re为200和20000下 的圆柱绕流进行了大涡模拟，同样得到了与实验结果相近的升、阻力系数等动力学参数；KawaiHiromasa等 ［3］ ［4］ 人 采用差分法对雷诺数Re为200的串列方柱的绕流做了数值模拟；王远成等人 采用湍流RNGk⁃ε模型对 方柱绕流流场的相关特性进行了数值模拟，很好的反映出了漩涡脱落的尾迹结构。 ［5］ 桩柱的绕流受到边界条件、湍流强度、柱面粗糙度等因素的影响 ，但起决定作用的是雷诺数。随着雷 诺数的增加，柱后的流动相应由定常逐渐失稳，慢慢变得越发复杂，最后到达超临界区的湍流分离。对于 5 ［6］ 300≤Re≤3×10的亚临界区，柱面边界层为层流，而尾流却已变为湍流涡街 。天然河道等实际情况中，雷诺 数相对较大，通过实验研究发现，亚临界区桩柱的绕流情况已基本能反映出较高雷诺数下天然河道的绕流 特性。 本文运用CFD软件、基于RNGk⁃ε模型对亚临界雷诺数下单圆柱和单方柱绕流进行了数值模拟，计算得 到了这两种情况下的阻力系数、Strouhal数等重要动力学参数，同时模拟出了桩柱绕