為研究重疊網(wǎng)格與結構網(wǎng)格在圓柱繞流數(shù)值模擬中的區(qū)別,以二維圓柱為例,利用有限元分析軟件ANSYS 19.2中的DM與Mesh建立模型并劃分重疊網(wǎng)格,利用ANSYS 19.2中的ICEM建立模型并劃分結構網(wǎng)格。采用FLUENT 19.2中l(wèi)aminar模型模擬分析系統(tǒng)中的平均升力系數(shù)、平均阻力系數(shù)、斯特勞哈爾數(shù)St等流體動力特性。通過改變流體流速得到兩種不同網(wǎng)格下各6組雷諾數(shù)Re,這6組雷諾數(shù)在60～160之間。結果表明:結構網(wǎng)格與重疊網(wǎng)格的St都隨著Re的增加而增加,但相同雷諾數(shù)下重疊網(wǎng)格對應的St數(shù)值更大,St的增長速度更快;重疊網(wǎng)格與結構網(wǎng)格的平均升力系數(shù)與平均阻力系數(shù)隨著Re的增加趨于穩(wěn)定的速度都加快,但結構網(wǎng)格的平均升力系數(shù)與平均阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定的速度更快,且兩種網(wǎng)格的平均升力系數(shù)與平均阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定速度的差距逐漸縮小,當Re=160時,兩種網(wǎng)格的平均升力系數(shù)與平均阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定的速度幾乎相同;當雷諾數(shù)在60～160之間時,采用重疊網(wǎng)格計算出來的斯特勞哈爾數(shù)比結構網(wǎng)格更加接近理論值;從升力功率譜密度分布曲線中可以看出,隨著雷諾數(shù)的增加,兩種網(wǎng)格下的頻率逐漸變大,并且相同雷諾... 

【文章來源】：應用力學學報. 2020,37(02)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

重疊網(wǎng)格下不同雷諾數(shù)的平均升力系數(shù)曲線Fig.5AverageliftcoefficientcurvesofdifferentReynoldsnumbersunderoversetgrids(d)Re=120(e)Re=140(f)Re=160

屏韉?平均阻力系數(shù)減小，平均升力系數(shù)不等于0。本文采用的6種雷諾數(shù)分別為60、80、100、120、140、160，二維流場網(wǎng)格劃分的數(shù)量為5萬左右，分別對重疊網(wǎng)格下的流場與結構網(wǎng)格下的流場進行仿真模擬分析，得出兩種網(wǎng)格在圓柱繞流數(shù)值模擬中的區(qū)別。2模型建立本模型尺寸如下：圓柱體直徑為2m，流場模型的長為50m，寬為40m，重疊網(wǎng)格中的overset區(qū)域是直徑為5.5m的圓。流場邊界左右兩端分別為速度入口和壓力出口，上下兩端均為壁面。具體數(shù)值水槽尺寸如圖1所示。圖1數(shù)值水槽構建Fig.1Constructionofnumericalsink3CFD理論3.1控制方程本文控制方程的離散方法采用有限體積法；重疊網(wǎng)格與結構網(wǎng)格的求解分別采用COUPLE耦合算法與PISO耦合算法；所研究流體域的介質是水，不可壓縮。由質量守恒定律可得流體動力學的連續(xù)性方程為=0uvwxyzt(1)式中：u、v、w分別為速度矢量U在坐標方向x、y、z上的投影；ρ為流體的密度。3.2層流模型雷諾數(shù)(Re)是用來反映流體運動特征的參數(shù)，以2300為界，雷諾數(shù)大于2300為湍流，雷諾數(shù)小于2300為層流。本研究中的雷諾數(shù)均小于2300，故選層流模型。udRe(2)式中：d為鈍體特征長度；μ為動力黏度。3.3初始條件與邊界條件本文的邊界條件為剛性壁面，因此排除了流固交界面之間的滑移情況。流體流入的速度分別設置為12m/s、16m/s、20m/s、24m/s、28m/s、32m/s，圓柱直徑為2m，流體密度為1000kg/m3，流體黏度為0.4Pa·s，流場參考壓強為1atm(標準大氣壓)?

884應用力學學報第37卷(a)全局圖(globalgraph)(b)局部加密圖(localrefinementgraph)圖2結構網(wǎng)格劃分Fig.2Structuralmeshing(a)背景區(qū)域(backgroundarea)(b)重疊區(qū)域(overlaparea)圖3重疊網(wǎng)格劃分Fig.3Oversetmeshing5結果分析5.1升力系數(shù)鈍體繞流時，鈍體會受到流體的阻力與升力。其中，阻力平行于流體流向，升力則垂直于流體流向。兩者的系數(shù)分別是阻力系數(shù)CD和升力系數(shù)CL。DD2()12FtCuHD(4)LL2()12FtCuHD(5)式中：FD(t)和FL(t)分別為鈍體受到的阻力和升力；u為無窮遠處的流速；H為展向高度。圖4、圖5分別為結構網(wǎng)格與重疊網(wǎng)格下不同雷諾數(shù)的平均升力系數(shù)曲線。從圖中可以看出，重疊網(wǎng)格與結構網(wǎng)格的平均升力系數(shù)隨著Re的增加趨于穩(wěn)定的速度都加快，但結構網(wǎng)格的平均升力系數(shù)趨于穩(wěn)定的速度更快，且隨著Re的增加，兩種網(wǎng)格的平均升力系數(shù)趨于穩(wěn)定速度的差距逐漸縮小，當Re=160時，兩種網(wǎng)格的平均升力系數(shù)趨于穩(wěn)定的速度幾乎相同。5.2阻力系數(shù)圖6為結構網(wǎng)格與重疊網(wǎng)格下不同雷諾數(shù)的平均阻力系數(shù)曲線。從圖中可以看出，當流體流過圓柱體時，圓柱體所受到的阻力迅速升高，隨著流體的穩(wěn)定，圓柱體所受到的阻力迅速下降并在一定的數(shù)值范圍內(nèi)穩(wěn)定下來。另外，重疊網(wǎng)格與結構網(wǎng)格的平均阻力系數(shù)隨著Re的增加趨于穩(wěn)定的速度都加快，但結構網(wǎng)格的平均阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定的速度更快，且隨著Re的增加，兩種網(wǎng)格的平均阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定速度的差距逐漸縮小，當Re=160時，兩種網(wǎng)格的平均阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定的速度幾乎相同。圖4(a)Re=60圖4(b)Re=80圖4(c)Re

【參考文獻】：
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