劉 歡
(天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院,天津 300384)
眾所周知,在一定雷諾數(shù)條件下,黏性流體流經(jīng)柱體時(shí),在逆壓梯度作用下,流體邊界層發(fā)生分離,引發(fā)周期性的漩渦脫落.這種渦旋的產(chǎn)生和脫落現(xiàn)象給工程帶來(lái)不利的影響,甚至發(fā)生工程事故.例如在1940年,美國(guó)華盛頓州建成剛4個(gè)月的塔科馬海峽大橋,在未達(dá)其設(shè)計(jì)風(fēng)速一半的氣候條件下,因渦激振動(dòng)而造成橋梁主體的共振,最終結(jié)構(gòu)潰塌[1];飛機(jī)與船只等,在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí),由于尾部所產(chǎn)生的渦旋消耗動(dòng)能,形成航行時(shí)的阻力.這些都是不利于生產(chǎn)實(shí)踐的.同時(shí)還應(yīng)該注意到,有時(shí)流體的渦旋運(yùn)動(dòng)也具有積極的工程意義.例如,西班牙的初創(chuàng)公司研發(fā)了一套全新的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)——Vortex Bladeless,這是一套沒(méi)有葉片的渦輪機(jī),它是靠周圍空氣的運(yùn)動(dòng)形成漩渦,然后帶動(dòng)設(shè)備前后晃動(dòng)起來(lái),再利用塔架底部的兩個(gè)環(huán)形相斥磁鐵作為非電動(dòng)機(jī)馬達(dá),通過(guò)底部相斥的磁鐵推動(dòng)時(shí)椎體持續(xù)產(chǎn)生最大震蕩,震蕩時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能就會(huì)透過(guò)錐體底部的交流發(fā)電機(jī),將力學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能.因此,研究柱體繞流渦旋生成、演化及脫落規(guī)律,不僅具有基礎(chǔ)的理論意義,也具有重要的實(shí)際工程價(jià)值.
近年來(lái),柱體的繞流已經(jīng)從圓柱轉(zhuǎn)向方柱,柱體個(gè)數(shù)及排列方式也多種多樣.張偉等[2]采用有限體積法對(duì)雷諾數(shù)Re為100的等邊布置三方柱的二維繞流問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬.考慮左“品”字形和右“品”字形兩種柱體幾何布置,間距比在1.5~5.0變化、右“品”字形布置時(shí),對(duì)流場(chǎng)特性與結(jié)構(gòu)受間距比的影響較小,在所研究范圍內(nèi),未出現(xiàn)偏流現(xiàn)象.在較小間距比時(shí),右“品”布置的流動(dòng)穩(wěn)定性比左“品”字形布置更穩(wěn)定.
Okajima[3]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究的方法,研究了Re在70~20 000時(shí),不同截面縱橫比的矩形截面柱體的斯特勞哈爾數(shù)St與雷諾數(shù)Re的關(guān)系,并詳細(xì)分析了在不同的雷諾數(shù)下,矩形柱的長(zhǎng)高比率不同時(shí),方柱后尾跡的基本頻率和能譜的變化.
趙心廣[4]對(duì)高雷諾數(shù)下右“品”字等邊布置的三方柱繞流進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)上游兩個(gè)方柱的阻力系數(shù)比下游方柱小,上游兩方柱升力系數(shù)比下游方柱大,并且下游方柱的升力系數(shù)在零附近振蕩;郭明旻等[5]以三方柱模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù),討論了建筑物表面風(fēng)壓脈動(dòng)的極值分布情況,并發(fā)現(xiàn)在間距比2.5~3.0間流場(chǎng)可能存在突變;張愛(ài)社等[6]用有限元方法對(duì)雷諾數(shù)Re為200的等邊布置的二維繞流問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬,研究表明三圓柱之間的干擾在小間距比情況下比較嚴(yán)重,流動(dòng)偏向下游的某個(gè)圓柱.
筆者對(duì)Re為100和200的低雷諾數(shù)條件下,等邊左“品”字形布置的三方柱二維繞流問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬研究.考慮到間距過(guò)小三方柱會(huì)出現(xiàn)重合,而間距過(guò)大三方柱間又不再有相互影響,所以取間距比為1.2~6.0.通過(guò)局部區(qū)間進(jìn)行間距比的加密,對(duì)流場(chǎng)流線、渦量圖以及阻力系數(shù)、升力系數(shù)、斯特勞哈爾數(shù)的分析,研究流場(chǎng)流動(dòng)特性、柱體阻力系數(shù)、升力系數(shù)及斯特勞哈爾數(shù)的變化規(guī)律,特別關(guān)注了對(duì)流場(chǎng)流動(dòng)和動(dòng)力特性具有重要影響的臨界間距比.
采用有限體方法,求解二維黏性不可壓非定常流場(chǎng);壓力采用二階離散格式,動(dòng)量采用二階迎風(fēng)格式,壓力與速度耦合采用SIMPLE算法.
二維黏性不可壓非定常流動(dòng)的控制方程為連續(xù)性方程和不可壓Navier-Stokes方程
方程中的下標(biāo)采用了求和約定.vi、p、t分別為速度分量、壓力和時(shí)間;ρ為流體密度;μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù).
阻力系數(shù)、升力系數(shù)、間距比及St數(shù)等無(wú)量綱數(shù)的定義為
式中:CD為阻力系數(shù),正方向與來(lái)流方向相反;CL為升力系數(shù),正方向與來(lái)流方向垂直;FD為阻力;FL為升力;ρ為流體密度;U為來(lái)流速度;D為方柱邊長(zhǎng);g為間距比;L為方柱中心之間的距離;St為斯特勞哈爾數(shù);f為渦脫落頻率.
三方柱布置形式及計(jì)算區(qū)域如圖1所示.計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方形,三方柱呈等邊左“品”字型布置,上游為單方柱A,下游為雙方柱B、C并列.方柱邊長(zhǎng)為無(wú)量綱邊長(zhǎng)D=1,A方柱形心至入流邊界距離為20D,B、C方柱形心至出流邊界的距離為40D,上下邊界距離最近方柱中心為10D.入口為速度邊界條件,來(lái)流速度為無(wú)量綱數(shù)U=1,出口取自由出流邊界條件,上下壁面和方柱表面為Wall邊界條件,參見(jiàn)圖1.
圖1 等邊三方柱布置形式及計(jì)算域示意
在柱體繞流中,柱體周圍靠近柱體的地方需要更高的求解精度.為了保證本研究的求解精度,驗(yàn)證算例的網(wǎng)格劃分采用以下形式:在方柱外圍劃分一層越靠近方柱越密的矩形網(wǎng)格,目的是在數(shù)值模擬過(guò)程中,保證流體參數(shù)變化最為激烈的區(qū)域的求解精度;再在這層矩形網(wǎng)格的外圍用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行劃分,并通過(guò)確定邊界網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的方式,控制網(wǎng)格的疏密程度,越靠近柱體的地方網(wǎng)格越致密,如圖2所示.為了加快收斂過(guò)程,時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)采用了二階隱式離散格式.
圖2 方柱網(wǎng)格劃分示意
選取雷諾數(shù)為100、200時(shí)的單方柱繞流算例,與經(jīng)典的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證本文所采用的數(shù)值方法和求解參數(shù)的有效性.表1為本文計(jì)算的時(shí)間平均阻力系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)中的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較.從表1可以看到,本文的計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典結(jié)果比較吻合,證明本文的數(shù)值方法是合理有效的.
表1 單方柱繞流模擬結(jié)果比較
對(duì)雷諾數(shù)為100、200的左品字三方柱繞流流場(chǎng)進(jìn)行模擬,并進(jìn)行間距比局部加密模擬.圖3-4為t=300 s、Re為 100和 200時(shí)間距比 g分別為 1.2、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 下的渦量圖.
圖3 Re為100時(shí)不同間距比的渦量圖
由圖3可知:當(dāng)g≤1.5時(shí),三方柱非常接近,此時(shí)流場(chǎng)形態(tài)類似于一個(gè)大的孤立方柱,在尾流區(qū)形成一組漩渦;當(dāng)g>1.5時(shí),上流柱體脫落的剪切層附著于下流方柱,出現(xiàn)偏流現(xiàn)象,方柱B、C后產(chǎn)生了各自的漩渦,漩渦脫落發(fā)生在一個(gè)方柱后;兩方柱之間的間隙流呈現(xiàn)出雙穩(wěn)態(tài)偏流現(xiàn)象;在g為2.0~3.0時(shí),流場(chǎng)十分不穩(wěn)定,在方柱A后出現(xiàn)了回流區(qū),漩渦發(fā)生脫落;隨著g進(jìn)一步增大,偏流現(xiàn)象減弱;在g為3.5~4.5之間時(shí),漩渦發(fā)生相位的相對(duì)偏移,上述現(xiàn)象與文獻(xiàn)[1]的現(xiàn)象大致相同;當(dāng)g≥5.0時(shí),方柱B和C后的漩渦卻呈現(xiàn)出反相位脫落;當(dāng)g=6.0時(shí),三方柱后產(chǎn)生各自漩渦,相互之間幾乎不再有影響.
圖4 Re為200時(shí)不同間距比的渦量圖
由圖4可知:當(dāng)g=1.2時(shí),已經(jīng)出現(xiàn)偏流現(xiàn)象,間隙流對(duì)方柱的影響較大,方柱B、C后差生了各自的漩渦,漩渦脫落發(fā)生在一個(gè)方柱后,兩方柱之間的間隙流呈現(xiàn)出雙穩(wěn)態(tài)偏流現(xiàn)象;在g為2.0~3.0時(shí),流場(chǎng)十分不穩(wěn)定,在方柱A后出現(xiàn)了回流區(qū),漩渦發(fā)生脫落,偏流現(xiàn)象逐漸增強(qiáng),這是因?yàn)殡S著g進(jìn)一步增大,間隙流對(duì)后方對(duì)稱的方柱B、C影響趨于相同,同時(shí)前方柱A與后方柱B、C之間流場(chǎng)的相互干擾逐漸減小,偏流現(xiàn)象慢慢減弱;當(dāng)g=3.5時(shí),下游方柱后的漩渦出現(xiàn)反相位脫落,流場(chǎng)為同步對(duì)稱結(jié)構(gòu),偏流現(xiàn)象消失;在g為4.5~5.5之間時(shí),漩渦始終處于反相位同步脫落;當(dāng)g=6.0時(shí),三方柱后產(chǎn)生各自漩渦,相互之間干擾現(xiàn)象并未消失.
圖5給出Re=100時(shí)平均阻力系數(shù)CD隨g的變化曲線.由圖5可知:①在g為1.2~1.8區(qū)間內(nèi),上游方柱A所受的阻力略大于下游方柱B、C所受的阻力;當(dāng)g=1.5時(shí),方柱B、C的CD差值最大;②當(dāng)g=2.0時(shí),方柱A的CD值出現(xiàn)了最小值CD,A=1.10(這里下標(biāo)表示具體的方柱,下同);當(dāng)g>2.0時(shí),三方柱的CD隨 g 的增加而增大,之后隨著 g 的增大,CD,B、CD,C始終大于 CD,A;g=2.5 時(shí),CD,B=1.63,CD,C=1.60,接近于單方柱 CD,CD,A=1.22 依然小于單方柱 CD;③在 g>3.0 時(shí),B、C柱CD幾乎相等,平緩變化,這與流線圖中的變化相吻合;當(dāng)g=4.0時(shí),下游方柱B、C的CD約為單柱繞流時(shí)的1.15倍,與文獻(xiàn)[1]的1.17倍大致相同;當(dāng)g達(dá)到最大值5.5時(shí),各柱的CD也分別達(dá)到最大值,CD,A=1.46,CD,B=1.89,CD,C=1.89,上游柱 A 的 CD,A依然小于單方柱繞流時(shí)的CD=1.61,下游B、C柱的CD比單方柱繞流的情形大.
圖5 Re為100時(shí)CD-g的變化曲線
圖5中的現(xiàn)象出現(xiàn)的原因主要是:①g過(guò)小時(shí),A的自由剪切層會(huì)將下游的方柱B、C完全包圍,來(lái)流阻力將主要作用在柱A上;②隨著g的增加,下游方柱B、C已不再全部被上游柱A的自由剪切層吞沒(méi),來(lái)流會(huì)部分撞擊到方柱B、C上;③g繼續(xù)增大,B、C柱的來(lái)流阻力減小,而上游柱A的來(lái)流阻力增大,并未超過(guò)單柱繞流的數(shù)值;即使g較大,方柱A與方柱B、C之間區(qū)域的壓力也遠(yuǎn)大于單柱繞流的情形,是由于下游并列方柱B、C的“夾心”效應(yīng).
圖6給出Re=100時(shí)平均升力系數(shù)CL隨g的變化曲線.
圖6 Re=100時(shí)CL-g的變化曲線
由圖6可以看出:上游方柱A的CL,A始終接近于常數(shù)0,與單方柱的CL一致(CL=-0.001),這表明下游方柱B、C周圍的流動(dòng)對(duì)上游柱A周圍的流場(chǎng)已基本無(wú)干擾;下游方柱 B、C 的 CL,B和 CL,C大小幾乎相等,方向相反,這表明柱體間具有更加強(qiáng)烈的橫向干擾效應(yīng);其中g(shù)=1.5時(shí),方柱A的CL,A突然增大,達(dá)到最大值;隨著 g 的增加,CL,B和 CL,C對(duì)稱地趨近于 0.綜合分析繞流流場(chǎng)和CL變化規(guī)律可以推測(cè),臨界間距比應(yīng)該在3.5附近.
圖7給出Re=200時(shí)CD隨g的變化曲線.
圖7 Re=200時(shí)CD-g的變化曲線
由圖7可以看出,Re為200時(shí)各方柱CD隨g的變化比100時(shí)的劇烈:①在g為1.2~1.8區(qū)間內(nèi),上游方柱A所受的阻力略大于下游方柱B、C所受的阻力,兩種雷諾數(shù)下的變化趨勢(shì)一致;當(dāng)g=1.5時(shí),柱B、C的 CD差值最大;當(dāng) g=2.0 時(shí),CD,A=1.08(這與 Re 為100時(shí),當(dāng)g=1.9時(shí),柱A的CD值出現(xiàn)了一個(gè)下跌CD,A=1.10 相似),之后隨著 g 的增大,CD,B、CD,C始終大于 CD,A;②隨 g的增加,三方柱的 CD增大(g=1.9 除外);當(dāng) g=2.2 左右時(shí),CD,B、CD,C接近于單方柱阻力系數(shù),CD,A依然小于單方柱阻力系數(shù),這與Re為100時(shí)g=2.5處的現(xiàn)象相似;隨后隨著g的增加,三方柱的CD均增大,但A方柱的CD依然小于單方柱阻力系數(shù);③在g=3.5時(shí),CD突然增加,隨后降低,平緩變化,這與Re為100時(shí),在g=3.7處的變化相似,這與流線圖中的突變相吻合;當(dāng)g=3.5時(shí),B、C柱的CD也分別達(dá)到最大值,CD,B=2.15,CD,C=2.19,顯然,CD,A>CD,B≈CD,C>CD=1.63.
圖8給出Re為200時(shí)CL隨g的變化曲線.
圖8 Re=200時(shí)CL-g的變化曲線
由圖8可以看出:Re為200時(shí)CL隨g的變化比Re為100時(shí)的變化劇烈;上游柱A的CL,A始終與單方柱的平均升力系數(shù)(CL=0.004)一致,接近于常數(shù)0,這表明下游方柱B、C周圍的流動(dòng)對(duì)上游柱A的流場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響;下游并列的柱 B、C 的 CL,B和 CL,C大小幾乎相等,方向相反,這表明柱體間具有更加強(qiáng)烈的橫向干擾效應(yīng),這與Re為100時(shí)相似;其中g(shù)=3.5時(shí),CL,B和CL,C呈現(xiàn)大小相等、方向相反的對(duì)稱趨勢(shì).綜合繞流流場(chǎng)和CL變化規(guī)律可以推測(cè),臨界間距比在4.0附近.
為準(zhǔn)確捕捉到臨界間距比的數(shù)值,分別對(duì)g=3.5(Re=100)和 g=4(Re=200)附近進(jìn)行加密.圖 9 給出了間距比加密區(qū)間內(nèi)CD和CL隨g的變化曲線.
圖9 不同Re時(shí)CD-g與CL-g的變化曲線
由圖9a-9b可以看出:Re為100、g為3.0~4.5時(shí),變化平緩,方柱A與方柱B、C的CD的變化趨勢(shì)一致,CD,B=CD,C,CL,B=|CL,C|;由圖 9c 可知,Re 為 200、g 為3.0~4.4,方柱A與方柱B、C的CD的變化趨勢(shì)一致,在g為3.5與3.9時(shí),三方柱CD突然增大.
圖10 不同Re時(shí)St-g的變化曲線
圖10給出斯特勞哈爾數(shù)St隨g的變化曲線.由圖 10a-10b中可以看出:Re為 100、g為2.0~3.0 之間時(shí),St隨g的增大變化幅度較大;隨后,St趨于一致,隨g的變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[2,13]基本相同,與單方柱繞流的 St=0.145接近;g≥3.5時(shí),方柱 A、B、C 的 St與單方柱情形基本相等,在g=3.9處出現(xiàn)突然增大,方柱A、B、C的St幾乎相等,這與CL變化趨勢(shì)一致.說(shuō)明此時(shí)三方柱之間的干擾最小,也就是柱B和柱C間偏流消失的原因;當(dāng)g≥5.0時(shí),三方柱之間的相互干擾現(xiàn)象消失.
由圖10c-10d可以看出:Re為200、g=2.0~3.0之間,St隨g的增大變化幅度較大;隨后,St趨于一致,趨近單方柱繞流的St=0.163,與Re為100時(shí)的變化規(guī)律相似;g≥3.7時(shí),方柱A、B、C的St幾乎相等;g=4.1處出現(xiàn)突然增大;當(dāng)g=6.0時(shí),三方柱之間始終存在相互干擾現(xiàn)象.
圖11 Re為100、g=3.7時(shí)流場(chǎng)渦量驗(yàn)證圖
圖11-12為臨界間距比的流場(chǎng)渦量驗(yàn)證圖,即Re為100、g=3.7、不同時(shí)間的渦量變化圖11和Re為200、g=4.1、不同時(shí)間的渦量變化圖12.
圖12 Re為200、g=4.1時(shí)流場(chǎng)渦量驗(yàn)證圖
綜合分析圖9-12可以確定,Re為100時(shí),偏流現(xiàn)象消失的臨界間距比g=3.7;Re為200時(shí),偏流現(xiàn)象消失的臨界間距比g=4.1.
(1)當(dāng)雷諾數(shù)Re為100、間距比g≥1.5時(shí),出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)間隙偏流;g≥2.5時(shí),偏流現(xiàn)象減弱;當(dāng)g=3.7時(shí),方柱B、C后的漩渦出現(xiàn)同相位脫落現(xiàn)象,流場(chǎng)為同步對(duì)稱結(jié)構(gòu),偏流現(xiàn)象消失;當(dāng)g≥4.9時(shí),方柱B、C后的漩渦出現(xiàn)反相位脫落現(xiàn)象;當(dāng)g=5.0時(shí),流場(chǎng)呈對(duì)稱分布;當(dāng)g≥5.0時(shí),三方柱之間的相互干擾現(xiàn)象消失;偏流現(xiàn)象消失的臨界間距比為3.7,且g=3.7時(shí),方柱A、B、C的斯特勞哈爾數(shù)St出現(xiàn)突然增大,且?guī)缀跸嗟?
(2)當(dāng)Re為200、g≥1.2時(shí),出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)間隙偏流;g≥2.5時(shí),偏流現(xiàn)象減弱;當(dāng)g=3.5時(shí),方柱B、C后的漩渦出現(xiàn)反相位脫落現(xiàn)象,流場(chǎng)為同步對(duì)稱結(jié)構(gòu),偏流現(xiàn)象消失;當(dāng)g≥4.5時(shí),方柱B、C后的漩渦卻呈現(xiàn)出反相位脫落;在g為4.5~5.5之間,漩渦始終處于反相位同步脫落;當(dāng)g=6.0時(shí),三方柱之間始終存在相互干擾現(xiàn)象;偏流現(xiàn)象消失的臨界間距比為4.1,且g≥4.1,方柱 A、B、C 的 St幾乎相等.
(3)Re為200時(shí)的流場(chǎng)比100時(shí)的更不穩(wěn)定,隨著雷諾數(shù)的增加,偏流現(xiàn)象消失的臨界間距比增大.
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天津城建大學(xué)學(xué)報(bào)2018年1期