1、摘要：選取直徑為D=10mm的圓柱及6Dx3D的計算區(qū)域，利用GAMBIT進行模型的創(chuàng)建模型，對計算區(qū)域采用分塊網(wǎng)格劃分與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分相結(jié)合的技術(shù)進行網(wǎng)格劃分。對0.03m/s1.0m/s的低流速情況下的圓柱繞流進行模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在速度達到0.1m/s前圓柱后側(cè)沒有出現(xiàn)明顯的漩渦，在速度大于0.1m/s后漩渦開始出現(xiàn)，當速度達到0.5m/s時漩渦的范圍最大。最后利用FLUENT的網(wǎng)格自適應技術(shù)對入口速度為0.5m/s的情況進行了網(wǎng)格加密，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格自動加密可以改進網(wǎng)格分布情況，但對計算結(jié)果的影響程度有限。關(guān)鍵詞：網(wǎng)格劃分；圓柱繞流；渦量；網(wǎng)格自適應鈍體繞流中尤其以圓柱體的繞流問題最為經(jīng)典和

2、引起人們的注意。圓柱繞流屬于非定常分離流動問題，在工業(yè)工程中的應用非常廣泛。圓柱繞流同時也是一個經(jīng)典的流體力學問題，流體繞圓柱體流動時，過流斷面收縮，流速沿程增加，壓強沿程減小，由于黏性力的存在，就會在柱體周圍形成附面層的分離，形成圓柱繞流。而由于圓柱的存在，會在圓柱迎水面產(chǎn)生壅水現(xiàn)象，同時也增加了圓柱的受力，使得圓柱繞流問題變得十分復雜。研究圓柱繞流問題在工程實際中也具有很重要的意義。如在水流對橋梁、海洋鉆井平臺支柱、海底輸運管線、樁基碼頭等的作用中，風對塔建筑、化工塔設備、高空電纜等的作用中，都有重要的工程應用背景。因此，對圓柱繞流進行深入研究，了解其流動機理和水動力學規(guī)律，不僅具有理論意

3、義，還具有明顯的社會經(jīng)濟效益。1數(shù)學模型與計算方法1.1幾何模型結(jié)合本文研究目標，取圓柱直徑D=10mm,計算區(qū)域為6DX3D的矩形區(qū)域，如圖1所示。上游尺寸1.5D，下游尺寸4.5D。使用GAMBIT建模軟件按照圖1所示的計算域建立了二維的計算模型。圖1計算區(qū)域1.2網(wǎng)格劃分及邊界條件設置為提高模擬精度，計算區(qū)域采用分塊網(wǎng)格劃分與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分相結(jié)合的技術(shù)。計算區(qū)域共分兩塊，尺寸見圖1所示。在圓柱區(qū)域采用O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（圖2）,尾流區(qū)域采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分別劃分（圖3），使用GAMBIT對兩塊計算區(qū)域進行了網(wǎng)格劃分，劃分的結(jié)果是網(wǎng)格總數(shù)為42946個。對計算區(qū)域進行邊界條件定義，考慮到流入

4、介質(zhì)的為空氣，同時流速較低，就把介質(zhì)假定為不可壓縮的流體。進而把左側(cè)的入口定義為速度入口即：Velocity-inlet,右側(cè)的出口假定為充分發(fā)展的出流，即定義為：Outflow。其余的邊界保持默認的壁面邊界條件，同時定義為絕熱條件，即熱流密度為0。圖2圓柱區(qū)域O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格圖3整體網(wǎng)格劃分情況1.3計算方法流動介質(zhì)為空氣，密度p=1.225kg/m3，動力粘度卩=1.79xlO-5Pas，并保持為常數(shù)。計算雷諾數(shù)(Rev2000)均為小雷諾數(shù)。屬層流范圍，故采用Laminar模型。采用基于壓力基的分離式求解器進行求解。計算中采用具有二階隱式時間格式的非定常流動進行計算。壓力項與速度項的耦合項

5、計算采用SIMPLE算法實現(xiàn)，壓力項離散采用具有二階精度的格式離散.動量方程采用二階迎風格式離散。計算中壓力、密度、體積力和動量項的欠松弛因子分別為0.3、1、1和0.7。2數(shù)值模擬選用25C的空氣為流經(jīng)計算區(qū)域的流體，從0.03m/s開始逐漸增加入口初速度來對不同速度下的圓柱繞流的流場進行模擬2.1結(jié)果與分析2.11渦量云圖0.03m/s速度下的渦量云圖0.1m/s速度下的渦量云圖0.2m/s速度下的渦量云圖0.3m/s速度下的渦量云圖0.5m/s速度下的渦量云圖1m/s速度下的渦量云圖圖40.03m/s1m/s下的渦量圖由上圖可知在速度為0.03m/s時，整個計算域的渦量云圖呈對稱分布，在

6、圓柱的后側(cè)沒有明顯的漩渦存在，空氣流貼著圓柱流動，在貼近圓柱的上下側(cè)渦量較其他區(qū)域大。速度為O.lm/s時漩渦開始向圓柱的后側(cè)推進，此時渦量較大的區(qū)域集中在圓柱的前半側(cè)，在圓柱右側(cè)的中后部區(qū)域渦量圖出現(xiàn)明顯的遠離現(xiàn)象，貼近圓柱的地方渦量很低，而外擴展的話就又會變大，圓柱的后部區(qū)域出現(xiàn)比較明顯的小漩渦。在入口速度達到0.2m/s時圓柱后側(cè)的漩渦就比較的明顯了，漩渦分布在圓柱的后側(cè)離圓柱較近的區(qū)域，上下對稱分布。入口速度為03m/s時圓柱后側(cè)的漩渦更加的明顯，并且有細微的擴大趨勢。當速度達到0.5m/s時圓柱后側(cè)的漩渦范圍明顯的擴大，擴展到圓柱后側(cè)很大區(qū)域，區(qū)域長度和圓柱直徑相當，并且在圓柱后側(cè)緊

7、近圓柱的部分也出現(xiàn)較小的漩渦，但是漩渦的整體強度卻沒有明顯的增大。從渦量云圖上看在速度達到lm/s時漩渦的范圍有所減少，但是強度確明顯的得到了增強，在圓柱的后側(cè)有兩個非常明顯的漩渦存在，漩渦的影響范圍涉及到了緊近圓柱后側(cè)的區(qū)域。再則是由于模擬區(qū)域的上下邊界都定義為了壁面，從上面6幅渦量云圖可以看見入口區(qū)域，貼近壁面的范圍也出現(xiàn)了輕微的漩渦，并且在速度為0.5m/s時漩渦最明顯。2.1.2速度云圖0.03m/s初速下的速度云圖0.1m/s初速下的速度云圖0.2m/s初速下的速度云圖0.3m/s初速下的速度云圖0.5m/s初速下的速度云圖1m/s初速下的速度云圖圖50.03m/s1m/s下的速度云

8、圖從上圖可以看到速度云圖總體呈對稱分布，在入口速度為0.03m/s時高速區(qū)域集中在圓柱的上下兩側(cè)，在圓柱的前后是速度的低速區(qū)，并且有兩處速度很小的區(qū)域。當速度達到0.1m/s時圓柱后側(cè)的低速區(qū)域得到擴大，低速區(qū)域的范圍呈現(xiàn)箭頭狀，越往外速度的值越來越大。在入口速度為0.2m/s的條件下，可以從圖上圓柱后也有明顯的低速區(qū)域，但是速度明顯大于0.1m/s時的速度。同時可以看到圓柱后側(cè)有三個點狀的低速區(qū)，圍繞著一個速度較高的橢圓區(qū)域。從0.3m/s的云圖可以看到圓柱后方有三個明顯的低速區(qū)，在這三個低速區(qū)中后面的面積較大，而前面的兩個低速區(qū)較小，并且三個低速區(qū)域有連在一起的趨勢。到了0.5m/s時我們

9、可以清楚的看到圓柱后側(cè)的低速區(qū)域連在了一起，整體呈現(xiàn)出狹長的v字形狀，同時包裹著一個近橢圓的區(qū)域，在橢圓中速度從中間往外逐漸變小，可以看到有一塊明顯的黃色區(qū)域。同時由于入口速度的提高圓柱兩側(cè)的高速區(qū)域較前面有了很大的擴展，兩側(cè)呈狹長的矩形分布，并且在貼近計算域邊界的壁面處也出現(xiàn)了明顯的條狀的低速區(qū)。但是當速度達到1m/s時圓柱上下兩側(cè)的高速區(qū)域?qū)挾扔兴黾佣L度卻明顯減少，同時圓柱后側(cè)的低速區(qū)域也減少很多，三個低速區(qū)也明顯的分離開來。3網(wǎng)格自適應技術(shù)的應用對初速度為0.5m/s的情況應用FLUENT的網(wǎng)格自適應技術(shù)對速度梯度大于l.OxlO-/s的地方進行了網(wǎng)格加密，網(wǎng)格前后效果對比如下圖：M

10、O未加密的網(wǎng)格自動加密后的網(wǎng)格圖6網(wǎng)格效果對比圖上圖僅僅截取了圓柱周圍的部分網(wǎng)格圖，對比兩個網(wǎng)格可以清楚的看到在后圖里在貼近圓柱的區(qū)域里網(wǎng)格明顯的密于前圖。同時在圓柱的后部區(qū)域也有三個條狀的加密區(qū)域。加密前的速度云圖加密后的速度云圖對比加密前后的速度云圖，可以發(fā)現(xiàn)圓柱后部上側(cè)區(qū)域的低速區(qū)域有點不同，同時后圖的圓柱后的中軸線上的速度較前圖有所降低，更能反映實際的情況。4結(jié)論使用FLUENT軟件對0.03m/s1m/s間的入口速度下的定常流動的圓柱繞流進行了數(shù)值模擬的對比研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在入口速度小于0.1m/s時，圓柱后側(cè)沒有出現(xiàn)漩渦，在速度為0.1m/s時圓柱后側(cè)開始有不明顯的漩渦出現(xiàn)。當速度

11、大于0.1m/s后就會出現(xiàn)明顯的漩渦，同時在0.5m/s的條件下漩渦的范圍最大，在1m/s時漩渦強度大于0.5m/s的情況，但范圍卻小于前者。使用FLUENT的網(wǎng)格自適應技術(shù)對入口速度為0.5m/s的情況依據(jù)速度梯度大小對網(wǎng)格進行了加密，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然可以對高梯度的區(qū)域進行網(wǎng)格加密，但是再次計算的結(jié)果卻沒有達到預想的效果，不過總的來講網(wǎng)格自適應技術(shù)也加密了網(wǎng)格增進了模擬的精度。由于僅僅對速度小于lm/s的情況進行了對比研究，對高速度高雷諾數(shù)的情況未有涉及，結(jié)果具有局限性。參考文獻：夏雪渝，等.工程分離流動力學M.北京：北京航空航天大學出版社，1991.孟元元.圓柱繞流的數(shù)值模擬研究D甘肅農(nóng)業(yè)大學，2010.張立.小雷諾數(shù)下圓柱繞流的數(shù)值模擬J.力學季刊,2010,04:543-547.楊紀偉，付曉麗.圓柱繞流研