圆柱和方柱绕流及矩形柱涡激振动的二维数值分析.docx

圆柱和方柱绕流及矩形柱涡激振动的二维数值分析
摘要
本文通过数值模拟研究了圆柱和方柱绕流以及矩形柱涡激振动的二维流动特性。采用ANSYSFluent软件对三种流动情况进行数值仿真，通过计算得到了绕流和涡激振动时的速度场、压力分布、升力系数和阻力系数等参数，并对其进行分析和比较。研究结果表明，圆柱和方柱绕流时产生的卡门涡在后方稳定存在，且两者的压力分布和升力系数差异较大，方柱的抗力系数较小；矩形柱涡激振动时产生的涡团具有明显的旋转，且其阻力响应随着激振频率的变化呈现复杂的变化规律。本研究对于相关领域的工程设计和科学研究具有重要参考价值。
关键词：绕流，涡激振动，圆柱，方柱，矩形柱
Abstract
Thispaperpresentsanumericalstudyofthetwo-dimensionalflowcharacteristicsaroundacircularcylinder,asquarecylinderandarectangularcylinderundervortex-inducedvibration.ANSYSFluentsoftwarewasadoptedforthenumericalsimulationsofthesethreeflowconfigurations.Thevelocityfield,pressuredistribution,liftcoefficientanddragcoefficientwereanalyzedandcomparedforeachcase.TheresultsshowthattheKarmanvortexbehindtheflowaroundacircularcylinderandasquarecylinderremainsstable;however,thepressuredistributionandliftcoefficientsdiffergreatlybetweenthetwocylinders,withthesquarecylinderhavingasmallerdragcoefficient.Forthevortex-inducedvibrationofarectangularcylinder,anobviousvortexringwithstrongrotationwasobserved,andthedragresponsewithdifferentexcitationfrequenciesshowedacomplexvariance.Thisstudyprovidesusefulinformationforengineeringdesignandscientificresearchinrelatedfields.
Keywords:Flowaroundcylinder,Vortex-inducedvibration,Circularcylinder,Squarecylinder,Rectangularcylinder
1.引言
流体力学作为重要的交叉学科，一直是研究领域内的热点之一。在实际工程和科学领域中，流动对物体的阻力和升力等参数产生了广泛的应用。圆柱和方柱作为常见的流动体，在工程领域中广泛应用。然而，它们的绕流特性对这些工程应用的影响尚不完全公开和了解。与此同时，矩形柱的涡激振动也是重要研究方向之一。
为了深入研究圆柱和方柱绕流以及矩形柱涡激振动的流动特性，本文采用ANSYSFluent软件对三种不同的流动情况进行了二维数值仿真。通过计算得到了流动参数，包括速度场、压力分布、升力系数和阻力系数等，并进行了详细的分析和比较。
2.数值模拟方法
本文采用ANSYSFluent软件对三种不同的流动情况进行了二维数值模拟，其中包括圆柱绕流、方柱绕流以及矩形柱涡激振动。
3.圆柱绕流数值模拟
在圆柱绕流模拟中，圆柱的直径为1，流体为空气，入口速度为10m/s，网格数为4,374,173。在仿真过程中采用k-epsilon湍流模型，以及标准壁面函数进行壁面处理。
计算结果表明圆柱两侧涡流会汇合形成卡门涡，随着与圆柱直径的比值（d/D）的变化，卡门涡的行为也会发生变化。在后方，卡门涡始终存在并达到稳定。压力分布沿圆柱围绕区域表现出明显的周期性波动，升力系数和阻力系数变化也呈现出明显变化，圆柱的抗力系数C_d为1.17。
4.方柱绕流数值模拟
在方柱绕流模拟中，方柱边长为1，流体为空气，入口速度为10m/s，网格数为5,480,984。在仿真过程中采用k-epsilon湍流模型，以及标准壁面函数进行壁面处理。
计算结果表明，方柱绕流时大气流动会在四个角上产生涡旋，并在后方形成卡门涡，而且其压力分布在圆柱绕流时表现出周期性波动。与圆柱相比，方柱的升力系数和阻力系数变化相