论文总字数：17042字

摘 要

本文主要基于有限元法进行了方柱绕流的数值模拟研究。主要利用FLUENT仿真模拟软件进行了长宽比H/D=1:1的二维方柱进行了仿真模拟分析。并且通过改变雷诺数和改变攻角大小两方面进行了研究。

1. 分别模拟了0°攻角下层流状态Re=50和100的流动状态，0°攻角下亚临界状态Re=200,500,1000和2000的流动状态
2. 分别模拟了雷诺数Re=2000的情况下0°，15°，30°，45°的4种不同攻角下的流体流动状态。

根据数值模拟结果，分别得出了以上流动状态的壁面升阻力系数，并且将模拟结果与文献上的实验和模拟结果进行了对照，得出了结果吻合度较好的结论。然后对升力系数进行傅里叶变换，模拟得出了不同攻角下以及不同雷诺数下涡街脱落频率的规律。此外，还模拟出了不同雷诺数和不同攻角下的卡门涡街的脱落形态。

关键字：卡门涡街 雷诺数 湍流模型 旋涡脱落 二维方柱

Abstract

In this paper, the numerical simulation of the flow around the square cylinder is mainly based on the finite element method. The FLUENT simulation software was mainly used to analyze the two-dimensional square column with aspect ratio H / D = 1: 1. And by changing the Reynolds number and changing the angle of attack two aspects have been studied.

(1) The flow states of laminar flow Re = 50 and 100 at 0 ° angle of attack were simulated respectively, and the flow states of subcritical state Re = 200, 500, 1000 and 2000 at 0 ° angle of attack were respectively simulated.

(2) The fluid flow conditions under 4 different angles of attack of 0 °, 15 °, 30 ° and 45 ° under the Reynolds number Re = 2000 were simulated respectively.

According to the results of numerical simulation, the coefficients of wall-drag resistance in the above flow states were obtained, and the simulation results were compared with the experimental and simulation results in the literature, and a good conclusion was reached that the results were in good agreement. Then the Fourier transform of the lift coefficient is carried out, and the law of vortex shedding frequency under different angles of attack and different Reynolds numbers is obtained by simulation. In addition, the shedding patterns of Karman Vortex under different Reynolds numbers and different angles of attack were also simulated.

Key words:Karman vortex streets;Reynolds number;turbulent models;vortex shedding;2D square cylinder.

目录

摘要 2

Abstract 2

第一章 绪论 4

1.1绕流问题的介绍 4

1.1.1背景介绍 4

1.1.2简介 4

1.2方柱绕流的研究现状 5

1.2.1国内 5

1.2.2国外 6

第二章 本文采用的计算软件及湍流模型介绍 6

2.1计算流体力学计算软件介绍 6

2.1.1 ICEM软件介绍 6

2.2.2 FLUENT 6

2.2.1湍流模型 7

第三章 方柱绕流的数值模拟方法 8

3.1计算模型 8

3.2网格划分 10

3.3数值模拟方法 12

第四章 方柱绕流的数值模拟结果分析 12

4.1流场结构分析 12

4.1.1 2000雷诺数下不同攻角的流场结构分析 12

4.1.2 0°攻角下不同雷诺数的流场结构分析 15

4.2方柱绕流升力及阻力系数的分析 21

4.2.1 不同攻角情况的升阻力系数和斯特劳哈尔数分析 21

4.2.2不同雷诺数下升阻力系数和斯特劳哈尔数分析 24

第五章 总结与展望 32

5.1总结 32

5.2展望 32

参考文献 33

致谢 35

不同攻角下方柱绕流的数值模拟分析

第一章 绪论

1.1绕流问题的介绍

1.1.1背景介绍

方柱的绕流问题属于比较常见的工程和项目问题，比如风吹过各种建筑时对建筑的影响，河里的水绕过桥墩，高空气流对于各种飞行器的绕流，大桥受风产生的涡街以及可能产生的谐振等。方柱绕流现象更是常见于工业设备方面。方柱绕流的流场特性和受力情况，一直以来都是国内外学者们研究的焦点。

其中方柱绕流的研究相对于圆柱绕流的研究比较少。方柱绕流有许多特殊的现象值得研究：方柱尾涡区涡的周期性的脱落和再附，层流和紊流之间的转化。方柱绕流是许多工程问题研究的关键，也是现在验证湍流模型的一个不错算例。方柱绕流主要需要准确的模拟流场和受力情况。

例如最近广东虎门大桥出现异常振动，专家指出可能原因就是大桥维修期间临时放置在桥上的“水马”改变了大桥主梁的气动外形，导致了空气在流过大桥时，产生了周期性的升阻力，发生了周期性的涡脱落。值得注意的是这个周期性的涡脱落频率会随着风的流动速度而发生变化。当涡脱落频率和结构振动频率相同时，就会产生共振现象，也就会使得虎门大桥出现振动。由于桥梁断面近似于一个长矩形断面，与方柱绕流极其相似。所以会像方柱绕流一样，不只是会有周期性的涡街脱落，还会有流过大桥结构表面边界层的大的旋涡脱落，与脱落的涡在尾涡区合并，影响到系统整体的稳定性。

1.1.2简介

与圆柱绕流的流动状态一样，方柱绕流也会在柱体后的尾涡区存在交替脱落的涡，涡的脱落和再附为周期性，也就是所谓的卡门涡街。在方柱的前后驻点，流体的流动速度均为零，压力为最高值，沿着柱体的前面部分，压力减小，速度升高，到柱体的后半部分则压力升高，速度减小，也就使得流体在柱体后堆积起来，形成边界层。随着压强梯度的变大，就会产生边界层的分离。当发生了边界层的分离后，就会出现一个极其不稳定的自由剪切层，最后剪切层会形成一个涡从柱体后缘脱落。^[6]同时剪切层产生的涡从上下表面脱落然后在尾涡处再附，导致了流动的不稳定性。

对于方柱绕流而言，不同攻角柱体的特征长度不同，也就导致了涡脱落频率不同，受力情况也不同。

1.2方柱绕流的研究现状

近年来方柱绕流随着尾迹的分离和再附，涡街的不对称性等问题成为国内外学者们研究的热点。

1.2.1国内

王远成、吴文权^[1]基于RNGk-ε湍流模型对于方柱绕流流场进行了数值模拟，模拟出了绕方柱的不稳定、不定常的剧烈分离流动。同时模拟出对旋涡脱落的较为真实的尾流。朱梦楠，曹云^[2]等人利用Fluent中的RNGk-ε算法分别模拟了亚临界状态下雷诺数Re=800的4种流动状态，分析了方柱绕流的涡脱落规律。王建春，吴乘胜^[3]等人开展了雷诺数Re=10000二维方柱绕流的直接数值模拟，使用了DNS方法，与RANS方法进行了对比，得出了DNS在复杂精细流场模拟方面的优势。周强^[4]等人基于CFD软件使用了LES（大涡）模拟方法对于均匀来流作用下的方柱绕流进行了三位数值模拟，准确获得了湍流特性。祝志文^[5]对高宽比为4的矩形断面采用SSTk-ω湍流模型进行了绕流场特征数值模拟。

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