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圆柱绕流的数值模拟研究

作　者: 孟元元
导　师: 康国玺；张建生
学　校: 甘肃农业大学
专　业: 农业水土工程
关键词: FLUENT 圆柱绕流数值模拟尾涡脱落升力系数阻力系数
分类号: O351.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

钝体绕流在实际工程中的应用是十分广泛的,如飞机的翼间支柱、潜水艇的通气管、高压输电线以及水流对桥梁、海洋钻井平台支柱、海底输运管线、桩基码头等的作用中,都有重要的工程应用背景。而圆柱绕流是钝体绕流中最为经典的绕流问题。圆柱绕流属于非定常分离流动问题,在工业工程中的应用也非常广泛。圆柱绕流是一个经典的流体力学问题,流体绕圆柱体流动时,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,就会在柱体周围形成附面层的分离,形成圆柱绕流。而由于圆柱的存在,会在圆柱迎水面产生壅水现象,同时也增加了圆柱的受力,使得圆柱绕流问题变得十分复杂。本论文应用CFD方法数值模拟了钝体绕流中最为经典的绕流问题即圆柱绕流问题。传统的实验研究由于受其本身的局限性(如模型尺寸、实验周期、资金投入等)的影响,许多实验研究都很难得到较为精确的结果,而数值模拟的优点就在于能够不受人为因素的影响以及物理模型和实验模型的限制,有较好的适应性,灵活性强,应用面比较广,能够模拟更多的流体流动问题,因此可以较为准确的满足工程实际的需要。本文根据粘性不可压缩流体流动N-S方程,利用计算流体力学软件FLUENT对固定单双圆柱绕流进行了二维数值模拟,得到了单圆柱周围流场的流型,涡量等值线和速度矢量图等,通过数值模拟的结果分析了圆柱尾涡的运动和脱落,升阻力系数值的变化以及圆柱边界层分离点的位置,初步研究分析了串并列双圆柱绕流的流动特性,并与已有实验研究结果及理论研究结果进行比较,给出了较为准确的分析研究结果,验证了数值求解问题的可靠性。本文的研究成果有助于理解钝体绕流尾涡运动和脱落的形成机理,以及由此引起的绕流升、阻力系数的变化,对于研究工程实际中其他绕流问题有指导意义和应用价值。

全文目录

摘要  2-3
Summary  3-7
第1章绪论  7-19
  1.1 钝体绕流概述及研究意义  7
  1.2 圆柱绕流研究现状  7-18
    1.2.1 圆柱绕流机理  7-15
      1.2.1.1 边界层的基本概念及其分离现象  7-10
      1.2.1.2 圆柱绕流的边界层分离现象、绕流阻力及卡门涡街  10-15
    1.2.2 圆柱绕流的国内外研究进展  15-18
  1.3 研究目的及意义  18-19
第2章 FLUENT 软件概述  19-27
  2.1 GAMBIT 简介  19-20
  2.2 FLUENT 软件简介  20-27
    2.2.1 模拟能力  20-21
    2.2.2 求解步骤  21-22
    2.2.3 求解方式  22-23
    2.2.4 湍流数值模拟  23-25
      2.2.4.1 湍流的基本方程  23-24
      2.2.4.2 数值模拟方法  24-25
    2.2.5 边界条件  25-27
第3章圆柱绕流的数值模拟  27-46
  3.1 单圆柱绕流数值模拟  27-33
    3.1.1 单圆柱绕流物理模型  27
    3.1.2 单圆柱绕流模型网格划分  27-28
    3.1.3 单圆柱绕流边界条件  28
    3.1.4 单圆柱绕流数学模型  28
    3.1.5 单圆柱绕流数值模拟分析  28-33
      3.1.5.1 单圆柱绕流升阻力系数分析计算  30-32
      3.1.5.2 单圆柱绕流分离点位置分析  32-33
  3.2 双圆柱绕流数值模拟  33-45
    3.2.1 串列双圆柱绕流数值模拟  34-39
      3.2.1.1 串列双圆柱绕流物理模型  34
      3.2.1.2 串列双圆柱绕流模型网格划分  34-35
      3.2.1.3 串列双圆柱绕流数值模拟方案  35
      3.2.1.4 串列双圆柱绕流数值模拟  35-39
    3.2.2 并列双圆柱绕流数值模拟  39-45
      3.2.2.1 并列双圆柱绕流物理模型  39-40
      3.2.2.2 并列双圆柱绕流模型网格划分  40
      3.2.2.3 并列双圆柱绕流数值模拟方案  40
      3.2.2.4 并列双圆柱绕流数值模拟  40-45
  3.3 本章小结  45-46
第4章结论及展望  46-48
  4.1 结论  46-47
  4.2 展望  47-48
致谢  48-49
参考文献  49-53
作者简介  53-54
导师简介  54-55
导师简介  55-56

圆柱绕流的数值模拟研究

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