后臺(tái)階流動(dòng)——推薦

1、后臺(tái)階流動(dòng)后臺(tái)階流動(dòng)的數(shù)值模擬一、問題簡(jiǎn)介我們考慮如下圖一的二維后臺(tái)階流動(dòng)，流動(dòng)經(jīng)過一個(gè)臺(tái)階向后流動(dòng)，臺(tái)階前管道高65mm，管道后高為115mm?？諝庖砸欢ǖ乃俣葟淖筮吶肟诹魅?，氣流會(huì)在臺(tái)階后發(fā)展為復(fù)雜的流動(dòng)。這是一個(gè)經(jīng)典的流體力學(xué)問題，在雷諾數(shù)不同的情況下，回流渦的形態(tài)會(huì)發(fā)生變化，上壁可能出現(xiàn)分離渦。我對(duì)不同雷諾數(shù)下的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)計(jì)算所得流場(chǎng)進(jìn)行了比較和分析。圖一二、文獻(xiàn)綜述在自然界和人們的生活之中，像后臺(tái)階分離再附這樣的流動(dòng)處處可見。如河道的突然變寬，小河匯入大江的入口處等等。而且，很多的復(fù)雜的湍流的流場(chǎng)中同時(shí)也包含了像后臺(tái)階這樣的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，后臺(tái)階流動(dòng)作為是湍流研究的熱點(diǎn)一直以

2、來都深受廣大研究人員和學(xué)者們的青睞。如圖二，湍流后臺(tái)階流中，經(jīng)過臺(tái)階上游的平板形成了湍流邊界層，在下游遇到了后向臺(tái)階。由于幾何形狀的極速變化，導(dǎo)致流動(dòng)的突然膨脹，使得湍流邊界層在臺(tái)階的分離點(diǎn)處分離。在臺(tái)階處分離后，由于緊隨分離后上下兩側(cè)的速度不同，形成自由剪切層，而此自由剪切層隨著流動(dòng)向下游發(fā)展，在發(fā)展過程中會(huì)在某一位置與壁面碰撞，碰撞后形成新的附面層，而碰撞之前的區(qū)域則形成了封閉回流區(qū)?；亓鲄^(qū)存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的大結(jié)構(gòu)渦，而在大結(jié)構(gòu)渦的前方的區(qū)域內(nèi)存在著一個(gè)逆向旋轉(zhuǎn)小渦。由于該流動(dòng)是非定常的，隨著時(shí)間的變化，流動(dòng)的再附位置也是變化的，再附區(qū)就是再附點(diǎn)位置的變化范圍，定義在時(shí)間上平均的再附點(diǎn)位置附近

3、的某個(gè)區(qū)域即為流動(dòng)的再附點(diǎn)。再附后下游邊界層再次發(fā)展，恢復(fù)湍流邊界層狀態(tài)。后臺(tái)階繞流所產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)，以及渦結(jié)構(gòu)之間的相互影響與作用，對(duì)于在湍流中出現(xiàn)的如湍動(dòng)能、湍流應(yīng)力和自由剪切層的生成增長(zhǎng)以及主要來流的運(yùn)動(dòng)都有著重大的影響。r臺(tái)肝再附區(qū)圖二分H線兩切辰邊界I匕在以往的研究中有一些已知的結(jié)果，層流和湍流狀態(tài)下，臺(tái)階下游均會(huì)形成大小不同的穩(wěn)定的回流區(qū)；回流區(qū)內(nèi)均存在比較規(guī)則的回流渦，渦尺寸與臺(tái)階高度為同一量級(jí)，但湍流時(shí)的回流渦尺寸大于層流時(shí)的回流渦尺寸。兩種流態(tài)的明顯不同之處則在于湍流時(shí)臺(tái)階內(nèi)角區(qū)出現(xiàn)了二次回流，稱為內(nèi)角誘導(dǎo)渦，層流時(shí)在臺(tái)階內(nèi)角處無二次回流現(xiàn)象，但在臺(tái)階后的上壁面處出現(xiàn)二次回流現(xiàn)

4、象，稱為上壁分離渦。具體來說，低雷諾數(shù)（Re450以后，上壁分離渦出現(xiàn)，在4501200時(shí)，流動(dòng)進(jìn)入過渡流狀態(tài)，上壁分離渦的起始位置不斷前移，回流區(qū)的長(zhǎng)度變化不大；當(dāng)Re3800之后，隨著雷諾數(shù)的增加，上壁分離渦的起始位置基本保持不動(dòng)或略有后移，但其結(jié)束位置持續(xù)前移，整個(gè)回流區(qū)長(zhǎng)度持續(xù)減小，直到雷諾數(shù)達(dá)到6600時(shí)，上壁分離渦消失。三、網(wǎng)格劃分本次數(shù)值模擬中，我學(xué)習(xí)了如何使用CEM劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。首先創(chuàng)建幾何模型如圖三所示。然后創(chuàng)建塊，使用Blocking選項(xiàng)卡中的CreateBlock功能創(chuàng)建一個(gè)2DPlanar塊，將塊分割裁剪為與幾何模型拓?fù)錁?gòu)造相同的結(jié)構(gòu)（如圖四），再將幾何模型與塊的點(diǎn)和

5、線一一對(duì)應(yīng)。這樣，當(dāng)我們對(duì)塊劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)，幾何模型上也就相應(yīng)產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格。對(duì)臺(tái)階處的網(wǎng)格放大進(jìn)行觀察，如圖五，可以看到網(wǎng)格非常整齊，這樣有利于提fluent的計(jì)算速度與收斂速度?？紤]到臺(tái)階后流動(dòng)情況復(fù)雜，可能在相當(dāng)一段距離內(nèi)不能恢復(fù)穩(wěn)定從而影響到出口邊界條件，管道長(zhǎng)度設(shè)為高度0倍，而入口附近流動(dòng)穩(wěn)定，足以使流動(dòng)充分發(fā)展，故不需要加長(zhǎng)，最終劃分了44253個(gè)網(wǎng)格。圖三圖四圖五?7i2?一）材料設(shè)置腔體設(shè)為鋁材，內(nèi)部流體設(shè)為空氣，密度為1.225kg/m3,動(dòng)力學(xué)粘度y=1.8J0-5kg/（m?s）。（二）邊界條件上下兩邊界以及臺(tái)階界面設(shè)為固定的無滑移邊界條件；左側(cè)入口設(shè)為速度入口，速

6、度可根據(jù)需要改變，初始設(shè)為）.1m/s;右側(cè)出口設(shè)為outflow，保證流入流出質(zhì)量守恒。（三）方程假設(shè)管道處于絕熱狀態(tài)且溫度均勻，不加入能量方程。根據(jù)雷諾數(shù)，在入口流速lm/s以下時(shí)認(rèn)為處于層流狀態(tài)，不加入湍流方程,1m/s及以上時(shí)使用Realizablek-epsilon湍流模型。（四）計(jì)算設(shè)置使用基于壓力的simple方法，壓力、動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散均使用二階迎風(fēng)格式。停止計(jì)算的殘差設(shè)為0-5,計(jì)算步數(shù)10000步。6000步左右后達(dá)到要求自動(dòng)停止迭代。利用Fluent自帶的后處理功能，畫出各情況下的流線圖和速度矢量圖(一)0.1m/s(Re=340)僅有回流渦Jteratons(二)

7、0.3m/s(Re=1020)僅有回流渦3C0C5OflEODOconinuirx-velccity10G0(三)1m/s(Re=3400)除回流渦外又出現(xiàn)了二次回流現(xiàn)象，即內(nèi)角誘導(dǎo)渦(四)5m/s(Re=17000)除回流渦外還有內(nèi)角誘導(dǎo)渦伍)10m/s(Re=34000)除回流渦外還有內(nèi)角誘導(dǎo)渦六、結(jié)果分析本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果差強(qiáng)人意，首先網(wǎng)格劃分較為規(guī)整，F(xiàn)luent的計(jì)算中收斂性也較好，計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)了明顯的回流渦以及二次誘導(dǎo)渦，出現(xiàn)與變化情況與文獻(xiàn)結(jié)論吻合，但是始終沒有觀察到上壁面的分離渦，其他同學(xué)的模擬中似乎也都有同樣的問題，我在上面五種算例之外還嘗試了多種其他設(shè)置，例如修改出口條件、修改壁面函數(shù)、修改入口速度、使用瞬態(tài)計(jì)算等，均無法觀察到分離渦，查閱資料后發(fā)現(xiàn)使用Fluent的均未能計(jì)算出分離渦，因此可能是Fluent自身的限制。對(duì)于回流渦，可以觀察到其高度方向上的尺寸等同于臺(tái)階高度，長(zhǎng)度方向上的尺寸隨雷諾數(shù)增大而增大。對(duì)于二次誘導(dǎo)渦，它在層流狀態(tài)下不出現(xiàn)，在湍流狀態(tài)下出現(xiàn)且大小逐漸增大。這些都與文獻(xiàn)吻合的很好。參考文獻(xiàn)1陳國(guó)定后臺(tái)階流動(dòng)控制研究D.南京航空航天大學(xué)20122曾誠(chéng),王玲玲后向臺(tái)階流動(dòng)研究綜述河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院20