任立峰双圆柱绕流

二维并排双圆柱绕流数值模拟

摘要：为研究不可压缩流动中二维的并列双圆柱在不同间距和流速下的流动情况和影响因素。选取间距分别为3m，1m两个距离建立模型在选取速度为0.2m/s；0.6 m/s；1 m/s进行模拟，对不同距离情况下的速度云图速度轮廓图得出了不同距离情况下的流动情况，同时研究了同一模型下不同速度对流动情况的影响。并通过查阅文献验证了用fluent模拟的正确性。

关键字：二维双圆柱；数值模拟；不可压缩流动；数值传热学

1.引言

数值传热学，又称计算传热学，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法，通过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场，浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）。求解所建立起来的代数方程已获得求解变量的近似值。

目前，比较流行的数值模拟分析应用软件有FLUENT、CFX、STAR-CD、和PHOENICS等，而FLUENT是国内外比较流行的商用CFD软件包，该软件以其市场占有率高、计算准确、界面友好、使用简单、应用领域广、物理模型多而获得较高的市场占有率和用户的肯定。

建立模型

2.建立模型：

以下均采用二维非耦合计算模式，采用非定常计算模式；动量方程离散模式为二阶迎风模式；残差控制为1.0e-0.3。

对于不可压缩粘性流体，在直角坐标系下，其运动规律可用N-S方程来描述，连续性

方程和动量方程分别为

?u j

?x j

=0（1-1）

?u i ?t +?

?x j

u j u i=?1

ρ

?P

?x i

+?

?x j

(v?u j

?x j

)（1-2）

边界条件u=U,v=0（1-3）采用双圆柱并排排列的方式选择两园间距1米和3米即1倍直径和3倍直径建立模型此模型长为圆的直径的32倍宽为圆的16倍直径圆心距入口距离为6米其模型如下图。

图1 间距为1倍直径的模型图2 间距为3倍直径的模型

3用gambit建立模型并进行网格划分和设定边界条件

3.1网格的划分

对圆柱的周围用线进行分割线距离圆柱的圆心的距离为2m即2D，在圆柱周围围城的矩形框内对网格进行单独的划分，在圆柱周围采用pava进行划分，对圆柱的矩形框外的使

用map进行划分。对边采用等距离进行划分每个节点间距0.05m对两圆间距1倍直径的进行网格划分共得到12868个网格如图3。同理对间距为3倍直径的模型进行网格划分共得到12846个网格如图4。

图3 间距为1m的模型图4间距为1m的模型

3.2边界条件的定义

对计算区域进行边界条件定义，选中左边线为进口边线，在name文本框中输入inlet，将type栏选为Velocity-inlet，在Entity栏宣威Edges。选取右边线为出口边线，在name栏目中输入Outlet，将Type栏选为Outlet，在Entity 中选取Edges。然后输出网格文件。

4使用fluent进行解算

4.1对间距为3m的模型进行解算

选用的水作为流体为流经计算区域的流体，从入口的速度分别设定为0.2m/s，0.6m/s 和1m/s分三个速度对这个模型。

首先导入并检查网格，然后单击display—grid显示网格。第二步选择计算模型，在define—models—viscous选择k-epsilon模型，设置求解器是打开solver对话框，在Time下选择Unsteady（非定常），在Unsteady Formulation中选择2nd-Order-Implicit。在Porous Formulation中选择Superficial Velocity。保持其他默认设置不变。将流体材料设置为水，Fluent 中有这一材料，直接复制即可。设置边界条件时先设置fluid流体区域的边界条件，再设置入口速度边界条件，将入口速度velocity magnitude栏内输入0.2，右侧栏内选择constant。并保留出口和墙壁的默认设置。

打开残差设置对话框，选择option下面的plot，convergence下面对应的数值均为0.001，单击ok按钮确认。最后进行流场初始化和保存文件。

点击solver-iterate 开始迭代，将迭代次数设置为20000次。计算完成后保存结果。

再分别更改入口速度为0.6m/s和1m/s进行求解。三次求解的残差图分别为图5，图6，图7

图5 0.2m/s时的残差图图6 0.6m/s时的残差图

图7 1m/s时的残差图

可由残差图看出来对两圆柱间距3米是在速度为0.2m/s，0.6m/s和1m/s进行求解过程是收敛的，迭代过程正确。

4.2对间距为1m模型进行解算

对间距为1倍直径的模型进行解算的过程和上面一样只不过是换了一个模型，通过解算入口速度分别为0.2m/s ，0.6m/s和1m/s情况进行解算。其残差图分别为图8，图9和图10。

图8 0.2m/s时的残差图图9 0.6m/s时的残差图

图8 1m/s时的残差图

可由残差图看出来对两圆柱间距1米是在速度为0.2m/s，0.6m/s和1m/s进行求解过程是收敛的，迭代过程正确。

5.解算结果以及结果分析

5.1不同速度情况下模拟结果的对比分析

5.1.1间距为3m的模型进行解算结果及分析

（1）不同速度下的速度云图的对比如图10～图12

图10 0.2m/s时的速度云图图11 0.6m/s时的速度云图

图12 1m/s时的速度云图

通过对不同速度下的得出的速度云图对比可以看出速度云图的变化由横向是对称的，随速度的增大过圆柱后的速度变化会越大，高速区域集中在圆柱的上下两侧，在圆柱的前后是速度的低速区。圆柱后侧低速区域的范围呈现箭头状，越往外速度的值越来越大。产生的涡流也会相应变大。

（2）不同速度下的涡量云图的对比如图13～图15

图13 0.2m/s时的涡量云图图14 0.6m/s时的涡量云图

图15 1m/s时的涡量云图

通过对不同速度下的得出的涡量云图对比可以看出随速度的增大过圆柱产生的涡量也会相应的变大，在圆柱周围产生的涡流的范围会相应的扩大。

5.1.2间距为1m的模型进行解算结果及分析

（1）不同速度下的速度云图的对比如图16～图18

图16 0.2m/s时的速度云图图17 0.6m/s时的速度云图

图18 1m/s时的速度云图

在两圆柱距离为1m是不同速度下模拟的得出的速度云图对比的出的变化规律与圆柱间距基本相同。

（2）不同速度下的涡量云图的对比如图19～图21

图19 0.2m/s时的涡量云图图20 0.6m/s时的涡量云图

图21 1m/s时的涡量云图

在两圆柱距离为1m是不同速度下模拟的得出的涡量云图对比的出的变化规律与圆柱间距基本相同。

5.2两圆柱在不同间距下对流场的影响

当两圆柱在不同间距时会对以相同速度通过的流体的流场产生不同的影响，选择在0.2m/s和1m/s两种不同情况下的速度云图，压力云图和涡量云图进行对比分析不同的圆柱对通过的流体流场的影响情况。

5.2.1两圆柱在不同间距时速度云图的对比

（1）水流速度为1 m/s时速度云图对比

图22 间距3m速度云图图23 间距1m速度云图

（2）水流速度为0.2 m/s时速度云图对比

图24 间距3m速度云图图25 间距1m速度云图通过在相同流速下不同间距的模型下出的结果得出的速度云图可以看出在流速较大的时候间距较大的在圆柱后产生的速度变化比较明显，而在速度较小的则在圆柱之间的间距较大的影响范围较大，在圆柱的两边则是间距较小的影响范围大，这是由于间距较小的对水流的阻挡能力比较集中而造成的。

5.2.2两圆柱在不同间距时压强云图的对比

（1）水流速度为1 m/s时压强云图对比

图24 间距3m压强云图图25 间距1m压强云图

（2）水流速度为0.2 m/s时压强云图对比

图26 间距3m压强云图图27 间距1m压强云图通过对比在相同速度下不同间距的模型模拟出来的压力云图可以看出间距较大的在圆柱前产生的高压区较小而在圆柱后产生的高压区也较小，这是由于产生的涡流较大的原因。

5.2.3两圆柱在不同间距时涡量云图的对比

（1）水流速度为1 m/s时涡量云图对比

图27 间距3m涡量云图图28 间距1m涡量云图

（2）水流速度为1 m/s时涡量云图对比

图29 间距3m涡量云图图30 间距1m涡量云图通过对比在相同速度下不同间距的模型模拟得出的涡量云图可以看出在距离为3m时产生的涡量不会相互影响而在间距1m时产生的涡量会相互影响，在速度为1m/s由于相互影响涡量云图范围变小，而在0.2m时范围变化不明显。

6结论与展望

6.1结论

（1）整个计算域的压强基本呈对称分布，在圆柱的后侧存在低压带，并且低压带的范围先扩大再缩小。

（2）速度云图总体呈对称分布，高速区域集中在圆柱的上下两侧，在圆柱的前后是速度的

低速区。圆柱后侧低速区域的范围呈现箭头状，越往外速度的值越来越大。

（3）通过在相同流速下不同距离的模型下出的结果得出的速度云图可以看出在流速较大的时候间距较大的在圆柱后产生的速度变化比较明显，而在速度较小的则在圆柱之间的间距较大的影响范围较大，在圆柱的两边则是间距较小的影响范围大，这是由于间距较小的对水流的阻挡能力比较集中而造成的。

（4）通过对比在相同速度下不同间距的模型模拟得出的涡量云图可以看出在距离为3m时产生的涡量不会相互影响而在间距1m时缠上的涡量会相互影响，在速度为1m/s由于相互影响涡量云图范围变小，而在0.2m时范围变化不明显。

（5）二维双圆柱在不可压缩流体过程其流场受圆柱间距以及流速等因素的综合影响，在不同情况下主要受主导因素的影响作用较大。

6.2展望

由于仅仅对速度在大于0.2而小于1m/s的情况和间距为圆柱直径1倍和3倍的情况进行模拟研究，具有明显的局限性。应对速度更高和更低的速度情况进行研究，选择更多间距情况进行研究可以使得研究更加完善。

参考文献

[1]邓见.分块法研究圆柱绕流升阻力[J].力学与实践,2004(26):24~26

[2]戴绍仕.孤立圆柱及串列圆柱水动力数值试验研究[D].黑龙江:哈尔滨工程大学,2004

[3]孟元元. 圆柱绕流的数值模拟研究[D].甘肃农业大学,2010.

[4]白桦. 低雷诺数圆柱绕流数值模拟及控制措施[J]. 建筑科学与工程学报,2012,27(4).

[5]杨纪伟，付晓丽. 圆柱绕流研究进展[J]. 中国水运(下半月),2008,05:156-158.

[6]张立. 小雷诺数下圆柱绕流的数值模拟[J]. 力学季刊,2010,04:543-547.

[7]何鸿涛. 圆柱绕流及其控制的数值模拟研究[D].北京交通大学,2009.

[8]段志强. 低雷诺数下尾部隔板影响圆柱绕流的数值研究[D].重庆大学,2012.

LES,DNS,RANS三种模拟模型计算量比较及其原因

LES,DNS,RANS模型计算量比较 摘要：湍流流动是一种非常复杂的流动，数值模拟是研究湍流的主要手段，现有的湍流数值模拟的方法有三种：直接数值模拟（Direct Numerical Simulation: DNS），Reynolds平均方法（Reynolds Average Navier-Stokes: RANS）和大涡模拟(Large Eddy Simulation: LES)。直接数值模拟目前只限于较小Re数的湍流，其结果可以用来探索湍流的一些基本物理机理。RANS方程通过对Navier-Stokes方程进行系综平均得到描述湍流平均量的方程；LES方法通过对Navier-Stokes方程进行低通滤波得到描述湍流大尺度运动的方程，RANS和LES方法的计算量远小于DNS，目前的计算能力均可实现。 关键词：湍流；直接数值模拟；大涡模拟；雷诺平均模型 1 引言 湍流是空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动，这种运动表现出非常复杂的流动状态，是流体力学中有名的难题，其 性。传统计算复杂性主要表现在湍流流动的随机性、有旋性、统计[]1 流体力学中描述湍流的基础是Navier-Stokes（N-S）方程，根据N-S 方程中对湍流处理尺度的不同，湍流数值模拟方法主要分为三种：直接数值模拟（DNS）、雷诺平均方法（RANS）和大涡模拟（LES）。直接数值模拟可以获得湍流场的精确信息，是研究湍流机理的有效手段，但现有的计算资源往往难以满足对高雷诺数流动模拟的需要，从而限制了它的应用范围。雷诺平均方法可以计算高雷诺数的复杂流动，但给出的是平均运动结果，不能反映流场紊动的细节信息。大涡模拟基于湍动能传输机制，直接计算大尺度涡的运动，小尺度涡运动对大尺度涡的影响则通过建立模型体现出来，既可以得到较雷诺平均方法更多的诸如大尺度涡结构和性质等的动态信息，又比直接数值模拟节省计算量，从而得到了越来越广泛的发展和应用。

大涡模拟

4.6.3大涡模拟LSE 大涡模拟LES 基本思想是：湍流运动是湍流运动是由许多大小不同尺度的涡旋组成，大尺度的涡旋对平均流动影响比较大，各种变量的湍流扩散、热量、质量、动量和能量的交换以及雷诺应力的产生都是通过大尺度涡旋来实现的，而小尺度涡旋主要对耗散起作用，通过耗散脉动来影响各种变量。不同的流场形状和边界条件对大涡旋有较大影响，使它具有明显的各向不均匀性。而小涡旋近似于各向同性，受边界条件的影响小，有较大的共性，因而建立通用的模型比较容易。据此，把湍流中大涡旋(大尺度量)和小涡旋(小尺度量)分开处理，大涡旋通过N-S 方程直接求解，小涡旋通过亚格子尺度模型，建立与大涡旋的关系对其进行模拟，而大小涡旋是通过滤波函数来区分开的。对于大涡旋，LES 方法得到的是其真实结构状态，而对小涡旋虽然采用了亚格子模型，但由于小涡旋具有各向同性的特点，在采用适当的亚格子模式的情况下，LES 结果的准确度很高。 大涡模拟LES 有四个一般的步骤： ①定义一个过滤操作，使速度分解u(x,t)为过滤后的成分(),u x t 和亚网格尺度成分u ’(x,t)，这里要特别指出：过滤操作和Reynolds 分解是两个不同的概念，亚网格尺度SGS 成分u ’(x,t)与Reynolds 分解后的速度脉动值是两个不同的量。过滤后的三维的时间相关的成分()t x u ,表示大尺度的涡旋运动； ②由N-S 方程推导过滤后的速度场进化方程，该方程为一个标准形式，其中包含SGS 应力张量； ③封闭亚网格尺度SGS 应力张量，可采用最简单的涡黏性模型； ④数值求解模化方程，从而获得大尺度流动结构物理量。 （1）过滤操作 LES 方法和一般模式理论不同之处在于对N-S 方程第一步的处理过程不一样。一般模式理论方法是对变量取平均值，LES 方法是通过滤波操作，将变量分成大尺度量和小尺度量。对任一流动变量(),u x t 划分为大尺度量(,)u x t 和小尺度量(),u x t '（亚格尺度）： (,)(,)(,)u x t u x t u x t '=+ 其中大尺度量是通过滤波获得:，过滤操作定义为： ()?-=dr t r x u x r G t x u ),(),(, （4.78） 式中积分遍及整个流动区域，(,)G r x 是空间滤波函数，它决定于小尺度运动的尺寸和结构。 滤波器G 要满足正规化条件 ?=1),(dr x r G （4.79） 亚网格尺度SGS 成分定义为 ),(),(),('t x u t x u t x u -= （4.80） 与Reynolds 分解不同的是，),(t x u 为一个随机的场分布，且 0),('≠t x u

第三章-数值模拟理论与方法

第三章 数值模拟理论与方法 §3.1 流体力学的基本方程 流体运动所遵循的规律是由物理学三大守恒定律规定的，即质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律[44]。 （一）连续方程 0)(=?+??v t ρρ （3.1） 式中 ρ－流体密度 u －流体速度分量 （二）动量方程（x 方向） 对于不可压流体（即0=?v ） x p f v u v x u x ??-+??=??+??ργρρρ)()()( （3.2） 式中 γ－运动粘性系数 p －压力 对于可压缩流体 ()()()()()x p f v x u u v x u x ??-+???+??=????ργργρρρ 31 （3.3） 式中等号后前两项是粘性力 y ，z 方向上的动量方程可类似推出。 （三）能量方程 ()()()v q T k e v e t ερρ++???=??+?? （3.4） 其中 T C e v = 式中等号左边第一项是瞬变项，第二项是对流项，等号右边第一项是扩散项，第二、三项是源项。 所以，流体力学基本方程组为： ()0=?+??v t ρρ

()x p f u u v f t u x ??-+??=??+??ργρ)( ()()y p f v v v f t v y ??-+??=??+??ργρ （3.5） ()()w p f w w v f t w w ??-+??=??+??ρλρ ()()v q e c k e v f e t v ερ++??? ? ????=??+?? §3.2 紊流模式理论概况 §3.2.1 基本方程 在自然界中，真实的流体都具有粘性。粘性流体存在两种不同的运动方式和流态，即层流和紊流。而在自然界和工农业生产中所遇见的流体流动大部分都是紊流。 三维的N-S 方程是目前描述粘性流体运动较为理想的模型，其优点一是应用范围广，在空气、水流、传热等方面均用N-S 方程描述；二是对于有分离、旋涡等情况的复杂三维流动更为适用。 三维直角坐标下的N-S 方程[45]，[46]，即不可压缩粘性流体的动量方程式为： ?????????????+??+??+??-=??+??+??+??-=??+??+??+??-=)()()(222222222222222222z w y w x w z p F Dt Dw z v y v x v y p F Dt Dv z u y u x u x p F Dt Du z y x μρρμρρ μρρ （3.6） 不可压缩流体的连续性方程为： （3.7） 式（3.6）和（3.7）共有四个未知数（u 、v 、w 、p ）和四个方程，加上边界条件，从理论上来讲其解是存在的。但是，要直接求解复杂而详细的粘性流体运动是十分复杂和困难的。其原因是：直接求解N-S 方程要求求解从反映消散运动的最小涡漩尺度到反映大尺度涡体的所有流动尺度，因而只有对简单情况下才有理论解。 0=??+??+??z w y v x u

大涡模拟的FLUENT算例2D

Tutorial:Modeling Aeroacoustics for a Helmholtz Resonator Using the Direct Method(CAA) Introduction The purpose of this tutorial is to provide guidelines and recommendations for the basic setup and solution procedure for a typical aeroacoustic application using computational aeroacoustic(CAA)method. In this tutorial you will learn how to: ?Model a Helmholtz resonator. ?Use the transient k-epsilon model and the large eddy simulation(LES)model for aeroacoustic application. ?Set up,run,and perform postprocessing in FLUENT. Prerequisites This tutorial assumes that you are familiar with the user interface,basic setup and solution procedures in FLUENT.This tutorial does not cover mechanics of using acoustics model,but focuses on setting up the problem for Helmholtz-Resonator and solving it.It also assumes that you have basic understanding of aeroacoustic physics. If you have not used FLUENT before,it would be helpful to?rst review FLUENT6.3User’s Guide and FLUENT6.3Tutorial Guide. Problem Description A Helmholtz resonator consists of a cavity in a rigid structure that communicates through a narrow neck or slit to the outside air.The frequency of resonance is determined by the mass of air in the neck resonating in conjunction with the compliance of the air in the cavity. The physics behind the Helmholtz resonator is similar to wind noise applications like sun roof bu?eting. We assume that out of the two cavities that are present,smaller one is the resonator.The motion of the?uid takes place because of the inlet velocity of27.78m/s(100km/h).The ?ow separates into a highly unsteady motion from the opening to the small cavity.This unsteady motion leads to a pressure?uctuations.Two monitor points(Point-1and Point-2) act as microphone points to record the generated sound.The acoustic signal is calculated within FLUENT.The?ow exits the domain through the pressure outlet.

小雷诺数下圆柱绕流数值模拟

第２期（总第２１３期） ２０１９年４月机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２ Ａｐ ｒ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１９）０２－００８７－０ ２小雷诺数下圆柱绕流数值模拟 凌　杰，王　毅 （陆军军事交通学院镇江校区，江苏　镇江　２１２００３ ）摘要：应用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ对小雷诺数（２０≤Ｒｅ≤３００）下的圆柱绕流进行仿真计算，采用有限体积法、层流模型求解不可压缩的Ｎ－Ｓ方程，计算了二维圆柱绕流的水动力学特性。分析尾涡的形态随着雷诺数不断增加的变化情况，并研究升阻力因素、Ｓｔ数及壁面分离角等参数随雷诺数的变化。关键词：圆柱绕流；小雷诺数；层流模型；Ｆｌｕｅｎｔ 中图分类号：ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ａ 收稿日期：２０１８－１０－０８；修订日期：２０１９－０１－３ ０作者简介：凌杰（１９９０－） ，男，江苏镇江人，助教，硕士，研究方向：船舶流体力学性能。０　引言 流体流过钝头体时其绕流及尾流的相互干扰有着广泛的工程应用背景，在日常生活中可以见到的此类例子有烟囱、天线、桥墩、蜂鸣电话的电话线和汽车无线电车载天线在气流中的振动等。近一个世纪以来，圆柱绕流一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟的对象，但迄今对该流动现象物理本质的理解仍是不完整 的［１－ ２］。本文应用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ对小雷诺数（２０≤Ｒ ｅ≤３００）下二维圆柱绕流进行数值模拟，采用有限体积法、分区结构化网格以及层流（Ｌ ａｍｉｎａｒ）模型求解Ｎ－Ｓ方程，模拟不同雷诺数下涡的产生、发展、脱落过程，并探究升阻力等参数的变化情况。１　计算模型１．１　模型及网格划分 在本文的研究目标中，设定圆柱的直径Ｄ＝０．０２ｍ，流体域的计算区域设定为４０Ｄ×２０Ｄ的矩形区域。为了消除边界对流场的影响，流体进口距圆柱中心取１０ Ｄ，流体出口距圆柱中心取３０Ｄ，上、下壁距圆柱中心均为１０Ｄ。 为了提高计算精度，保证收敛速度，对圆柱周围进行局部 加密，该区域大小为１０Ｄ×１０Ｄ［３］ 。计算模型及网格划分 结果如图１所示。 图１　计算模型及网格划分结果 １． ２　数值模拟方法圆柱周围的流场利用Ｆｌｕｅｎｔ求得， 采用有限体积法和ＳＭＰＬＥＣ算法求解非定常流动， 时间离散采用二阶隐式格式，空间离散采用二阶迎风格式。进口边界条件为速度入口，入口速度设置见表１；出口边界条件为自由出口；上、下壁以及圆柱面为固壁边界，即无滑 移、无穿透［４］ 。２　计算结果分析２．１　不同雷诺数下的涡量图和流线图谱 分别在Ｒｅ＝２０、Ｒｅ＝６０、Ｒｅ＝２００三种具有代表性雷诺数下，通过涡量图和流线图来比较它们的流动特性，如图２～图４所示。 表１　入口速度设置 区域 层流区 层流向湍流转变１５０≤Ｒｅ≤３００ 雷诺数２０　 ４０　６０　８０　１００　１５０　２００　２４０　２８０　３００来流速度（ｍ／ｓ ）０．００１　 ０．００２　 ０．００３　 ０．００４　 ０．００５　 ０．００７　５　 ０．０１　 ０．０１２　 ０．０１４　 ０．０１５ 由图２～图４可知： Ｒｅ＝２０时，尾流中有一对稳定的反对称涡，称为弗普尔旋涡，且该尾涡尺寸Ｌ与圆 柱体直径Ｄ之比约为１∶１；当雷诺数增加到６０时， 反向对称漩涡影响区域达到最大，该对漩涡不再保持对 称，一侧漩涡的影响区域超过另一侧，且漩涡中心也同 时远离圆柱；随着雷诺数的继续增加，出现典型的涡的生成、发展、脱落过程，逐渐发展成两排周期性摆动和交错的漩涡。

大涡模拟的fluent算例

Introduction:This tutorial demonstrates how to model the2D turbu-lent?ow across a circular cylinder using LES(Large Eddy Simula-tion),and compute?ow-induced noise(aero-noise)using FLUENT’s acoustics model. In this tutorial you will learn how to: ?Perform2D Large Eddy Simulation(LES) ?Set parameters for an aero-noise calculation ?Save surface pressure data for an aero-noise calculation ?Calculate aero-noise quantities ?Postprocess an aero-noise solution Prerequisites:This tutorial assumes that you are familiar with the menu structure in FLUENT,and that you have solved or read Tu-torial1.Some steps in the setup and solution procedure will not be shown explicitly. Problem Description:The problem considers turbulent air?ow over a2D circular cylinder at a free stream velocity U of69.19m/s. The cylinder diameter D is1.9cm.The Reynolds number based on the?ow parameters is about90000.The computational do-main(Figure3.0.1)extends5D upstream and20D downstream of the cylinder,and5D on both sides of it.If the computational domain is not taken wide enough on the downstream side,so that no reversed?ow occurs,the accuracy of the aero-noise prediction may be a?ected.The rule of thumb is to take at least20D on the downstream side of the obstacle. c Fluent Inc.June20,20023-1

燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟

燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟 徐宝鹏1，曾佑杰1，马宏宇2，赵凯岚2，金戈2 （1.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015） 摘要：燃烧室内的燃油雾化、蒸发以及和空气进行混合过程对燃烧过程有重要影响。提出1种基于大涡模拟的数学模型来模拟燃烧室内燃料喷射、蒸发和混合过程。被空间滤波掉的亚网格尺度涡对大尺度涡的影响由求单方程SGS 湍流模型进行模拟。采用拉格朗日法和蒙特卡洛技术对流场中的喷雾粒子进行采样跟踪，采样喷雾粒子在流场中作为点源项与气相进行质量、动量和能量的双向耦合。提出1个基于SGS 湍流动能的双向耦合模型来模拟SGS 脉动速度对喷雾粒子运动的影响以及喷雾相对SGS 湍流动能的影响。通过对1个同轴模型燃烧室中的喷雾蒸发及混合过程的大涡模拟，将预测结果和试验值进行了比较，预测值和试验值吻合良好，验证了模型的可靠性。 关键词：燃烧室；燃气轮机；大涡模拟；双向耦合；燃油雾化 中图分类号：V211.3文献标识码：A doi ：10.13477/https://www.wendangku.net/doc/7f18698724.html,ki.aeroengine.2014.03.003 Large Eddy Simulation of a Gas Turbine Model Combustor XU Bao-peng 1,ZENG You-jie 1,MA Hong-yu 2,ZHAO Kai-lan 2,JIN Ge 2 (1.School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology,Liaoning Dalian 116024,China;2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China ) Abstract:Fuel atomization,evaporation and mixing with air in gas turbine combustors are vital to the subsequent combustion process.Numerical formulation based on large eddy simulation is proposed to model fuel injection,evaporation and mixing in a gas turbine combustor.The proposed model adopts a one-equation subgrid scale turbulent model to handle the effect of the filtered subgrid scale eddies on the solved large scale eddies.Spray droplets are tracked using both Lagrangian method and Mento Carlo technique,and the sampled spray particles are regarded as point sources to conduct two-way couplings of mass,momentum and energy.The two-way coupling model based on SGS turbulent kinetic energy is used to model the mutual influences between SGS fluctuating velocity and the movement of spray droplets.The proposed models are validated against a large simulation of a co-axial model combustor and the predictions are compared to the experimental data.Good agreements are obtained,which demonstrate the reliability of the proposed models.Key words:combustor ;gas turbine;large eddy simulation;two-way coupling;atomization 航空发动机Aeroengine 第40卷第3期 Vol.40No.3 Jun.2014 收稿日期：2013-08-14基金项目：燃气轮机重大项目联合培育基金（2011LH006）资助 作者简介：徐宝鹏（1969）,男，博士，教授，主要研究方向为计算流体力学、两相流和燃烧学；E-mail:xbp624@https://www.wendangku.net/doc/7f18698724.html, 。引用格式：0引言 试验研究表明，燃油在燃气轮机燃烧室内的雾 化、蒸发及与空气进行混合的过程对直喷或预混燃烧 室中的燃烧过程起至关重要的作用[1-3]。Fric [3]通过试 验研究发现，燃料混合在空间上的不均匀性和时间上 的脉动性对氮氧化物的排放量有显著影响；此外,燃 烧室内的流动状态以及燃油喷雾粒子的大小和速度 分布对燃烧过程同样有重要影响。光学测试和数值模拟是目前研究燃烧室内燃油混合及燃烧过程的2种主要方法。光学测试已被成功应用于燃油喷射及混合过程的研究中[4-6]，但使用数值模拟方法对燃烧前喷雾的分布情况进行理论研究的文献较少，且现有的数值模拟工作大都采用基于雷诺时间平均的RANS 方法。以往的数值研究表明，RANS 方法无法准确预测燃烧室内的回流流动，且其稳态特性也不能准确预测燃料的混合及燃烧过程[7]。大涡模

柱体绕流阻力理论研究和数值模拟

柱体绕流阻力理论研究和数值模拟 李金钊 2011-11-27

柱体绕流阻力理论研究和数值模拟 摘要：柱体绕流是流体力学中的经典问题之一，而对于绕流阻力的研究又是该问题的关键之处。本文对柱体绕流阻力产生的原因进行了理论分析，并对国内外关于柱体绕流阻力的研究成果进行了归纳总结，指出了研究的方向和对前景的展望。同时本文借助于Fluent 软件，针对二维圆柱和方柱绕流进行了数值模拟，得出了绕流阻力系数并与相关试验结果进行了比较分析。 关键词：绕流阻力、研究成果、数值模拟 1 前言 1.1 柱体绕流阻力研究意义及应用背景 流体绕结构物流动时，过流断面收缩，流速沿程增加，压强沿程减小。由于黏性力的存在，就会在物体周围形成边界层的分离，形成绕流。而由于结构物的存在，会在物体迎水面产生雍水现象，同时也增加了结构物的受力，使得绕流问题变的十分复杂。目前相关理论研究成果较贫乏，因此对绕流现象进行研究具有重要的理论基础意义。 研究结构物绕流问题在工程实际中也具有重要意义。如在水流对桥下部结构的作用中，风对桥塔、索缆的作用中，都有重要的工程应用背景。因此对结构物绕流进行深入研究，掌握其流动机理和水动力学规律，不仅具有理论意义，还有明显的社会经济效益。 1.2 绕流阻力理论分析 水流流经柱体时，作用于物体上的力可分为两类：摩擦阻力和压差阻力。其中流体作用于物体表面的摩擦力在水流方向上的投影就是摩擦阻力。压差阻力的产生是由于物体表面边界层产生分离。边界层的分离常常伴随着涡旋的产生和能量的损失，从而物体前后面压强发生变化，产生了压强差了，增加了流动的阻力。压差阻力主要取决于物体的形状，因此也称为形状阻力。对于细长物体，例如顺水流放置的平板或翼型，则摩擦阻力占主导地位；而钝性物体的绕流，例如圆球、桥墩等，则主要是压差阻力。液体对物体的绕流阻力可用下列公式计算[1]

圆柱绕流的数值模拟

圆柱绕流的数值模拟 张玉静 20070360204 过控（2）班化工与能源学院 摘要:使用计算流体力学软件FLUENT,模拟均匀来流绕固定圆柱的流动,模拟雷诺数为5，20,40,100时的绕流流动,得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明:当雷诺数增加时,流动表现出一系列不同的构造。当Re=5时，流动不发生分离,其后未形成旋涡，当Re=20,40,100时，流体发生分离，其后形成旋涡，且旋涡随着Re的增大而增大。利用计算流体力学软件FLUENT可以成功地模拟圆柱绕流问题,反映出流动特性。 关键词:圆柱绕流；FLUENT；雷诺数 Abstract:Uniform flow around a mounting cylinder is simulated with the application of FLUENT software while Reynolds number is 5,20,40,100. Stream function and velocity vector distributions are indicated. The results show that a series of construction appears as Reynolds number increases. When Re is 5, Flow separation does not occur, and it does not form vortex . When Re is 20,40,100, Flow separation occurs, and it forms vortex. V ortex increases with the increase of Re. Using computational fluid dynamics software FLUENT can successfully simulate flow around cylindrical, reflect the flow characteristic. Key words：Flow around a circular cylinder；FLUENT；Reynolds number 1 圆柱绕流理论分析研究的状况 一个世纪以来,圆柱绕流一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟对象。但迄今对该流动现象物理本质的理解仍是不完整的。圆柱绕流中,起决定作用的是雷诺数,但还受到许多因素,如阻塞比,来流湍流度,下游边界条件等的影响。随着雷诺数的增加,粘性不可压缩流体绕圆柱的流动会呈现各种不同的流动状态,在小雷诺数时,流动是定常的,随着雷诺数的增加,圆柱后会出现一对尾涡。当雷诺数较大时,尾流首先失稳,出现周期性的振荡。而后附着涡交替脱落,泻入尾流形成Karman涡街,随着雷诺数的增加,流动变得越来越复杂,最后发展为湍流。White认为圆柱涡流具有经典性的重要意义。 一般认为圆柱绕流有2种定常的流动图案:雷诺数为较小时,圆柱后无尾涡；当雷诺数为较大时,圆柱后有一对对称的尾涡。关于定常流失稳以及出现湍流的

大涡模拟简单介绍

《粘性流体力学》小论文 题目：浅谈大涡模拟 学生姓名：丁普贤 学生学号：103911018 完成时间：2010/12/16

浅谈大涡模拟 丁普贤 （中南大学,能源科学与工程学院，湖南省长沙市，410083） 摘要：湍流流动是一种非常复杂的流动，数值模拟是研究湍流的主要手段，现有的湍流数值模拟的方法有三种：直接数值模拟、大涡模拟和雷诺平均模型。本文主要是介绍大涡模拟，大涡模拟的思路是：直接数值模拟大尺度紊流运动，而利用亚格子模型模拟小尺度紊流运动对大尺度紊流运动的影响。大涡模拟在计算时间和计算费用方面是优于直接数值模拟的，在信息完整性方面优于雷诺平均模型。本文还介绍了对N-S方程过滤的过滤函数和一些广泛使用的亚格子模型，最后简单对一些大涡模拟的应用进行了阐述。 关键词：计算流体力学；湍流；大涡模拟；亚格子模型

A simple study of Large Eddy Simulation DING Puxian (Central South University, School of Energy Science and Power Engineering, Changsha, Hunan, 410083) Abstract：Turbulent flow is a very complex flow, and numerical simulation is the main means to study it. There are three numerical simulation methods: direct numerical simulation, large eddy simulation,Reynolds averaged Navier-Stokes method. Large eddy simulation (LES) is mainly introduced in this paper. The main idea of LES is that large eddies are resolved directly and the effect of the small eddies on the large eddies is modeled by subgrid scale model. Large eddy simulation calculation in computing time and cost is superior to direct numerical simulation, and obtain more information than Reynolds averaged Navier-Stokes method. The Navier-Stokes equations filtering filter function and some extensive use of the subgrid scale model are simply discussed in this paper. Finally, some simple applications of large eddy simulation are told. Key words：computational fluid dynamics; turbulence; large eddy simulation; subgrid scale model

基于LBM方法的方柱绕流数值计算

基于Boltzmann方法的方柱绕流数值模拟 张华 （武汉理工大学 1049721101590） 摘要：基于格子Boltzmann方法( Lattice Boltzmann Method，LBM) ，本文对在较高Re数下的方柱绕流问题进行了数值模拟。给出了正方形柱体在一定攻角下的流线图。在较低Re数下数值结果较好，高Re数下，数值计算呈现不稳定性。 关键字：格子Boltzmann方法；方柱绕流；数值模拟； D2Q9模型 Boltzmann Method Based On Numerical Simulation Of Fluid Flows Around Square Cylinder Hua Zhang （WHUT 1049721101590） Abstract: Based on the lattice boltzmann method (LBM), this paper simulated the problem of fluid flows around squares in higher Re number. And it is showed stream line chart of the square in a certain angle of attack. As a result, the numerical results in lower Re number are more better then that in higher Re number. Key words: lattice boltzmann method； Flow around a square cylinder； numerical simulation； D2Q9 model 1 引言 模拟流体运动的CFD数值计算方法主要有两种:(l)从宏观角度出发,基于连续介质假设,采用数值计算方法,求解Euler方程或N-S方程;(2)从微观角度出发,采用分子动力学的方法,对流动进行数值模拟[1]。 传统的计算流体力学中有限差分、有限元、有限体积等数值计算方法都属于第一种方法,这种方法直接对非线性的微分方程例如熟知的Euler方程和N-S方程进行离散,得到代数方程组或微分方程系统,然后在用标准的数值方程求解。虽然近些年CFD取得了很大的进展，但由于流体运动的复杂性和计算机资源的限

利用FLUENT 软件模拟圆柱绕流

利用FLUENT软件模拟圆柱绕流 摘要:使用计算流体力学软件FLUENT,模拟均匀来流绕固定圆柱的流动,模拟雷诺数为20 ,40 ,100 时的绕流流动,得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明:当雷诺数增加时,流动表现出一系列不同的构造。在雷诺数约为40 前后流场有明显变化。小于这个数时,存在一对位置固定的旋涡。大于40 时,流场开始变得不稳定,旋涡扩大、脱落、又生成,逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡。并与实验及数值模拟结果比较,确认FLUENT能够很好地预测流动结构。 关键词: 圆柱绕流 FLUENT软件雷诺数 1圆柱绕流理论分析研究的状况 一个世纪以来,圆柱绕流一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟对象。但迄今对该流动现象物理本质的理解仍是不完整的。圆柱绕流中,起决定作用的是雷诺数,但还受到许多因素,如阻塞比,来流湍流度,下游边界条件等的影响。 随着雷诺数的增加,粘性不可压缩流体绕圆柱的流动会呈现各种不同的流动状态,在小雷诺数时,流动是定常的,随着雷诺数的增加,圆柱后会出现一对尾涡。当雷诺数较大时,尾流首先失稳,出现周期性的振荡。而后附着涡交替脱落, 泻入尾流形成Karman 涡街,随着雷诺数的增加,流动变得越来越复杂,最后发展为湍流。White[1]认为“圆柱涡流具有经典性的重要意义”。 一般认为圆柱绕流有2 种定常的流动图案:雷诺数为较小时,圆柱后无尾涡;当雷诺数为较大时,圆柱后有一对对称的尾涡。关于定常流失稳以及出现湍流的临界雷诺数主要是通过应用流场显示技术观察流动形态得到的,所以不是准确值。对于分界点雷诺数就有不同的见解,Kovasznay 、Roshko 等认为定常流动失稳的临界雷诺数大约为40。而从周期性尾流到湍流的详细的转变过程的实验研究似乎还是空白。 对均匀来流绕固定圆柱的二维平面流动,国内外许多学者进行过大量的研究。决 定圆柱绕流流态的是雷诺数(Re)的值, Re5 <时,流动不发生分离,5Re40 <<,在圆柱体后面出现一对位置固定的旋涡; 40Re150 << ,旋涡扩大,然后有一个旋涡开始脱落,接着另一个也脱落,在圆柱体后面又生成新的旋涡,这样逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡,即Karman 涡街。Re150 <,涡街是层流,150Re300 <<,旋涡由层流向湍流转变。 5 300Re310 <

气动噪声模型使用指南

ANSYS Fluent气动噪声模型使用指南 ANSYS Fluent气动噪声模型使用指南 (1) 1 ANSYS Fluent的气动噪声模型特点介绍 (1) 1.1C A A（直接模拟模型） (1) 1.2A c o u s t i c A n a l o g y M o d e l i n g（声比拟模型） (2) 1.3B r o a d b a n d（宽频噪声模型） (2) 2 ANSYS Fluent的气动噪声模型设置 (4) 2.1B r o a d b a n d（宽频噪声模型） (4) 2.2F-W-H（声比拟模型） (7) 2.3C A A（直接模拟模型） (16) 3 ANSYS Fluent气动噪声测试案例 (22) 3.1圆柱绕流 (22) 3.2跨音速空腔流动 (26) 3.3跨音速翼型绕流 (31) 1 ANSYS Fluent的气动噪声模型特点介绍 1.1C A A（直接模拟模型） ANSYS Fluent中的CAA方法可以通过求解流体动力学方程直接得到声波的产生和繁殖现象。声波的预测需要控制方程时间精度的解，而且，CAA方法需要ANSYS Fluent通过求解非稳态N-S方程（如DNS）、非稳态雷诺平均RANS方程以及在分离涡DES和大涡LES 模拟中用到的滤波方程，精确模拟粘性效应和湍流效应。 CAA方法需要高精度的数值求解方法、非常精细的网格以及声波非反射边界条件，因此计算代价较高。如果要计算远场噪声（比如几百倍的机翼弦长远处的噪声传播），CAA方法则需要超大规模并行计算支持；但是如果计算近场噪声（比如，机身表面的APU、空穴、微小部件扰动噪声），CAA方法是容易可行的。在大多包含近场噪声的计算中，由于局部压力波动导致的噪声是可以通过ANSYS Fluent准确模拟的。既然CAA方法直接求解声波传播，那么需要求解可压缩的控制方程（如雷诺平均方程、可压缩的LES大涡模拟的滤波方程）。当流动速度较低或亚音速流动时，而且近场中的噪声源主要由局部压力波动构成，则可以使用不可压缩流动。然而，不可压缩流动处理不能模拟回声和声波反射现象。

大涡模拟

大涡模拟,英文简称LES(Large eddy simulation),是近几十年才发展起来的一个流体力学中重要的数值模拟研究方法。它区别于直接数值模拟(DNS)和雷诺平均(RANS)方法。其基本思想是通过精确求解某个尺度以上所有湍流尺度的运动，从而能够捕捉到RANS方法所无能为力的许多非稳态，非平衡过程中出现的大尺度效应和拟序结构，同时又克服了直接数值模拟由于需要求解所有湍流尺度而带来的巨大计算开销的问题，因而被认为是最具有潜力的湍流数值模拟发展方向。 由于计算耗费依然很大，目前大涡模拟还无法在工程上广泛应用，但是大涡模拟技术对于研究许多流动机理问题提供了更为可靠的手段，可为流动控制提供理论基础，并可为工程上广泛应用的RANS方法改进提供指导。 大涡模拟方法 其主要思想是大涡结构（又称拟序结构）受流场影响较大，小尺度涡则可以认为是各向同性的，因而可以将大涡计算与小涡计算分开处理，并用统一的模型计算小涡。在这个思想下，大涡模拟通过滤波处理，首先将小于某个尺度的旋涡从流场中过滤掉，只计算大涡，然后通过求解附加方程得到小涡的解。过滤尺度一般就取为网格尺度。显然这种方法比直接求解RANS 方程和DNS 方程效率更高，消耗系统资源更少，但却比湍流模型方法更精确。 大涡模拟的基本操作就是低通滤波。一个LES滤波器可以被用在时空场Φ（x,t）中实现时间滤波或空间滤波或时空滤波

扬州大学 大涡模拟理论及应用 紊流力学 大涡模拟理论及应用 一、概述 实际水利工程中的水流流动几乎都是湍流。湍流是空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动，这种运动表现出非常复杂的流动状态，是流体力学中有名的难题。100 多年来无数科学家投身到它的研究当中，从1883 年Reynolds 开始的层流过渡到湍流的著名圆管实验到现在，对湍流的基础理论研究呈现出多个分支，其主要方向有：湍流稳定性理沦、湍流统计理论、湍流模式理论、湍流实验、切变湍流的逆序结构、湍流的大涡模拟和湍流的直接数值模拟。在这些方向当中，比较有代表性的是湍流模式理论。但它的平均运算却将脉动运动的全部行为细节一律抹平，丢失了包含在脉动运动中的大量有重要意义的信息，而且各种湍流模型都有一定的局限性、对经验数据非常依赖、预报程度较差。近代计算机技术的飞速发展给人们提供了解决湍流问题的新途径，公认比较有前途的是大涡模拟和直接数值模拟。但由于受到计算机速度和容量的限制，直接数值模拟还仅限于低雷诺数的流动，对于高雷诺数的完全数值模拟目前还不可能。而大涡模拟是介于直接数值模拟和湍流模式理论之间的折衷物，由于其具有较少的计算消耗和较高的计算精度，正显示出越来越强的生命力。 二、大涡模拟