方块绕流Karman 涡街模拟教程
上一篇 / 下一篇 2008-02-04 04:46:58 / 个人分类：CFD
方块绕流Karman 涡街
Tutorial of CFX simulation for Karman vortex street on the tail of block
Karman 涡街的研始于圆柱绕流试验中, 其后的研究也围绕着圆柱绕流，但实际上其它形状的物体后更容易出现Karman 涡街。
1． 在进行方块绕流Karman 涡街模拟前，首先学习一下前人的研究成果。
圆柱绕流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。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。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。我常称之猫眼。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。决定圆柱绕流流态的是雷诺数( Re) 的值, Re < 5 时,流动不发生分离,5 < Re < 40 ,在圆柱体后面出现一对位置固定的旋涡;40 < Re < 150 ,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。Re < 150 ,涡街是层流,150 < Re <300 ,旋涡由层流向湍流转变。300 < Re < 3 ×105 ,称为亚临界区。此时,柱体表面上的边界层为层流,而柱体后面的涡街已完全转变为湍流,并按一定的频率发放旋涡。3 ×105 < Re < 3 ×106 ,称为过渡区。此时,柱体表面上的边界层也转变为湍流,分离点后移,阻力显著下降,旋涡的发放不规则,发放频率是宽频率随机的。Re < 3 ×106 称为超临界区。此时,重新建立起比较规则的准周期性发放的涡街。
2． 几何尺寸的确定。
虽然雷诺数( Re) <300时也能出Karman 涡街，但不如高雷诺数脱涡快，故选雷诺数约10000，进口风速1M/S，方块尺寸为150X150MM。流域尺寸为600X1000MM。单元尺寸为10X10X10MM。主要是举例，想算快一些。如果想取得更好效果，可以把流域尺寸加大，网格加密。
3． 边界条件。
进口为流速，出口为OPENING，上下边为WALL，SLIP。也可以OPENING，但在低速时不易把涡吹落。为了尽快把涡脱落，我们需要一个不均衡力作用在尾涡上。可以设置进口流速不均匀，或者上下边界不对称。实际自然界是不存在绝对均匀对称流场的。
4． 流速为1M/S 的KARMAN VORTEX STREET 动画,TOTAL TIME=4S, TIME STEP=0.01
5． 流速为0.1M/S 的KARMAN VORTEX STREET 动画，TOTAL TIME=40S. TIME STEP=0.1
当上下边界为WALL时， CFX给出的雷诺数比计算值要高，约为1700，当上下边界为OPENING时， CFX给出的雷诺数与计算值接近。
6． 流体为水时的KARMAN VORTEX STREET 动画
7． 流体为水时的KARMAN VORTEX STREET 动画，可称太极KARMAN VORTEX STREET，或
PHENIXE KARMAN VORTEX STREET。在后处理上做点工作。YOU CAN MAKE YOUR IMAGINATION.
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