圆柱绕流： Von Karman Vortices 仿真分析

仿真圆柱绕流所产生的流场，分别在稳态和瞬态条件下对比不同雷诺数产生不同现象，分析卡曼涡街的产生，用于评估该旋涡频率和圆柱结构固有频率关系，避免发生共振以造成结构的破坏。

许多行业都有烟囱，用于通风炉、锅炉等产生的废气或烟雾。由于它们的高度，流经这些高烟囱的外部空气会对它们施加显著作用力。当气流以低雷诺数通过烟囱时，气流是对称的，所形成的流场也是稳定的。随着流动的雷诺数增加，流场变得不对称，从而形成周期性涡流结构，这些被称为冯卡曼涡街。它们周期性地与圆柱表面分离，在其后面形成交替性重复。如果这些涡旋的频率与这些高层结构的共振频率相匹配时，它会在结构中引起剧烈振荡，从而造成这些烟囱的损坏。在这个案例中，我们将考虑定常绕流和非定常绕流两种典型问题，以了解风对烟囱的空气动力学影响。

本案例参考ANSYS官方案例完成。

首先先来仿真分析定常绕流情况。

考虑流体流过圆柱体的稳态情况，如上图所示。获取雷诺数选择 20 时的速度和压力分布。为了简化计算，圆柱体的直径设置为 1 m，速度的 x 分量设置为 1 m/s，流体的密度设置为 1 kg/m^3。因此，动态粘度必须设置为 0.05 kg/m*s 才能获得所需的雷诺数。

雷诺数的计算公式：Re=ρvd/μ；

对于外部流场分析，需要保证流域边界条件对我们关注的核心流场没有影响，因此本案例中采用圆的流域，并且直径上选取为内圆直径的64倍。

在边界条件设置上，左侧采用速度入口，X方向流速为1m/s，右侧设置为压力出口，表压值设置为0Pa，对中心圆柱表面设置为无滑移边界条件，即壁面速度为0。

整体比较简单，就是两个圆，中间生成两条线有助于后面控制网格生成。

划分面网格，保证中心圆柱附近具有加密网格。

对各个边界进行命名，方便在Fluent软件中进行设置，具体命名如下。

退出网格划分后，注意更新Mesh，

检查一下网格数量，如下图得到当前一共有18432个网格。

根据雷诺数，选择层流模型，一般是2300以下选择层流，但是也不是一定之规，仿真模型还是需要依靠实验检验之后才能确定。

将材料中流体-空气的密度和粘度改成我们在前面设计好的值。

单元区域条件处，表压设置不需要更改。

边界条件设置，中心圆柱壁面设置为无滑移条件。

速度入口速度设置为X方向1m/s。

压力出口设置表压为0。

参考值部分，密度也更改为1kg/m^3。

求解方法如下图，其中动量采用二阶迎风格式。

定义收敛准则。

增加一个监视项，为中心圆柱表面的阻力系数。

初始化设置，计算参考位置设置为入口边界，X方向速度设置为1m/s，然后开始计算即可。

求解中，1662步收敛。

速度云图：

压力云图：

Streamline

分析圆柱表面压力

利用表达式定义我们关心的中心圆柱表面的角度，然后创建表面的数据集，之后绘制曲线如下，从这其中其实能够看到在雷诺数低的条件下，整个流场是稳定的。

下面让我们来看一下当雷诺数升高，非稳态条件下的流场状态。

这是时候我们需要雷诺数从之前的20变为120，在结构和速度流场不变的条件下，我们将动态粘度设置为8.333x10^-3kg/m*s；

因为这个时候我们正在进行一个非稳态计算，因此我们的N-S方程中会增加一个时间的导数项：

下面来修改该一下刚刚的稳态计算模型，我们在Workbench中将刚刚计算的模块复制一下，在这里我们不需要修改模型和网格，因此下面直接从设置开始就行；

不用修改，Start直接进入

因为是非定常计算，所以更改为模型计算从稳态到瞬态

在材料中将空气的粘度降低到8.333x10^-3kg/m*s，然后其他也不需要更改，从入口完成初始化。

然后这里面为了提升计算速度，我们将中间某些区域先初始给定一个流场，首先先来创建需要给定的区域，如下图设置，选择这些区域。

然后再初始化选项中进行局部初始化，这里我们在初始给一个Y方向0.2m/s的速度扰动，可以在云图显示中快速检查一下我们刚刚初始化是否成功；

然后因为我们计算的是一个瞬态流动，所以起来通过动画看到一些现象，所以在求结果过程中需要后处理CFD-POST所需文件。

之后输入时间步长和步数即可开始计算了：

计算完成，可以看到在最后我们刚刚在圆柱表面设置的升力明显出现后面波动：

针对结果的处理，我们采用新导入一个结果模块，然后打开后导入刚刚保存的结果文件，在工具中打开时间步长选择器，应用第一个时间步；

我们为了看涡流状态，创建一个云图，将变量这是为涡度；

时间步是400的时刻

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