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射流对圆柱涡旋脱落影响的数值研究

2023/2/21    来源:Altair    作者:付国强  陆程      
关键字:Altair Acusolve  圆柱绕流  
本文将射流与圆柱绕流问题相结合,通过在圆柱前驻点开小尺度缝隙的方式,研究了射流对圆柱绕流的影响。

1.前言

       圆柱绕流现象在很多工程领域很常见,尤其是以柱形截面为典型代表的细长结构物,例如:输油立管和张力腿平台的筋腱等海洋工程结构物。洋流流经柱形结构时,在交变涡激力作用下诱发的涡激振动问题,会对结构物的稳定性和安全性造成很大的危害。鉴于涡激振动造成的破坏及严重威胁,对于抑制涡激振动的方法及其应用研究显得更为迫切。

       涡激振动抑制问题的核心在于湍流运动中涡旋结构运动的控制。与涡激振动问题已取得的丰硕研究成果相比,关于涡旋脱落控制方法的研究开展较晚,仍处于不断地摸索阶段。从目前的控制方法研究进展来看,其在工程上可分为两类。一类为被动控制,主要通过改善结构几何特性来改变结构的水动力特性;另一类为主动控制,这类问题需要外加能源的驱动或输入。

       射流方法作为一种主动控制方法,此前在控制机翼分流并调节升阻比方面有着广泛的应用,因其控制的有效性,使得该方法后来被用于研究钝体尾流的控制中。在已有研究中,射流的出口一般位于圆柱绕流分离点附近或背风面分离区内。Amitay等通过实验研究了合成射流对圆柱绕流分离的控制,射流出口为并列狭缝,射流出口方位角从0°变化到180°,通过烟风洞中的流动显示实验,他们发现合成射流与自由来流作用会在圆柱表面形成闭合回流区,使得当地流线外移,圆柱表面压强分布得到修正,从而起到物面修形的作用。在Bera等和Tensi等的实验中,射流出口同样为狭缝,前者方位角110°,后者方位角60°、112.5°和180°,他们都发现合成射流能够有效推迟圆柱分离,使圆柱后缘分离区减小甚至完全消失,起到减阻效果。此外,Williams等也将射流出口布置于圆柱分离点上游附近,发现射流能显著改变圆柱绕流近区尾迹涡的生成方式,并能抑制大尺度卡门涡结构的形成。王晋军等通过实验研究了雷诺数1032时前驻点0°射流的情况,发现合成射流对圆柱分离具有很好的控制效果,将有效降低圆柱绕流阻力。

       本文采用数值计算的方法,对圆柱绕流问题进行计算,针对雷诺数40000的情况,在圆柱前驻点处,开一个0.025倍圆柱直径的缝隙,添加射流速度入口,并逐倍提升射流速度,以研究前驻点射流对圆柱涡旋结构的控制作用。

2.基本方程和数值计算方法

       2.1 控制方程

       采用的控制方程为不可压缩Navier-Stokes方程,若不计质量力,在直角坐标系中,可表示为:


       式中,Ui为流体的速度,ρ为流体的密度,v为流体的运动粘性系数,p为压力。

       2.2 Spalart-Allmaras单方程湍流模型

       计算采用Spalart-Allmaras湍流模型,该模型的特点是计算量较小,稳定性较好,在物面处的网格不需要很精细,可以应用于结构网格和非结构网格。

       在Spalart-Allmaras模型中,湍流粘性系数可定义为:


       其中,


       上式中的v是计算湍流粘性系数的工作变量,满足以下输运方程:


       上式中各系数取定方法如下:


       其中,d为场点至壁面的最小距离,ω表示旋度矢量。

       2.3 计算设置

       物理模型如下图所示:

模型示意图

图1 模型示意图

 

网格示意图

图2 网格示意图


       其中,圆柱周围及尾流区计算域采用四边形网格,并进行加密,其余计算域采用三角形网格,网格较为稀疏。流体流动方向自左向右,流场左侧为速度入口边界(inlet),右侧为出口边界(outlet),上下边界为自由滑移边界(free slip),前后表面为对称边界(symmetry),圆柱壁面为无滑移边界(no slip wall),射流口也设为速度入口边界(inlet)。由于是二维数值模拟,圆柱展向网格为一层,矩形流场计算区域为26D*12D(D=0.16m为圆柱直径),圆柱中心距左侧入口边界6D,距右侧出口边界20D,距上下边界均为6D。

3.结果分析

       3.1 计算结果分析方法

       为研究圆柱周向压力分布,考虑到圆柱绕流问题的对称性,在圆柱周向0~180度范围内布置17个压力监测点,记录各点的瞬态压力值。瞬态压力可以表示为稳态压力和脉动压力之和。稳态压力系数和脉动压力系数如下:


       式中,p0为来流入口压力,p为瞬时压力,N为样本数。

       升力系数和阻力系数如下:


       式中,FD为圆柱所受阻力,与来流方向平行;FL为圆柱所受升力,与来流方向垂直;L为圆柱展向长度。

       3.2 无射流圆柱绕流

       为确保计算结果准确可靠,首先计算了无射流状态下圆柱绕流的结果,并与文献中的结果进行对比。

圆柱绕流结果对比

图3 圆柱绕流结果对比


       由图可知,斯特罗哈尔数结果吻合较好,阻力系数稍有偏大,因为二维数值模拟忽略了三维效应,使得计算结果普遍比实际大一些。圆柱绕流结果与现有文献结果吻合较好,验证了本文圆柱绕流模拟计算方法的正确性。

       3.3 有射流圆柱绕流

       在无射流圆柱绕流结果的基础上,加入射流速度,并逐倍增大,以比较不同射流速度对圆柱受力的影响;观察圆柱周围流场的变化,比较圆柱涡旋脱落的不同效果。以40000雷诺数为例。

Re=40000射流圆柱力系数

图4 Re=40000射流圆柱力系数

 

表1 Re=40000圆柱力系数计算结果

Re=40000圆柱力系数计算结果


       从图中可以看出,在1倍射流速度时,圆柱的升力系数和阻力系数并未减小,脉动值甚至更大,这是由于此时射流动量较小,对圆柱周围流场有一定的扰动作用,但比较有限,对圆柱涡旋运动影响并不明显。从2倍射流速度开始,射流对流场的扰动作用逐渐增大,圆柱的稳态阻力系数随射流速度的增大而减小,脉动升力系数也随射流速度增大而减小。在4倍射流速度时,稳态阻力系数和脉动升力系数均达到最小值。

Re=40000稳态压力系数

图5 Re=40000稳态压力系数

 

Re=40000脉动压力系数

图6 Re=40000脉动压力系数


       由上图可知,在无射流情况(jet=0)下,正对来流处的前驻点(0°)Cp值最大,在1.0左右,随着来流向柱体两侧的扩展,Cp迅速减小到最小值,75°附近时为-1.9左右。正对来流处,脉动压力系数最小,随着向圆柱下游扩展,脉动压力系数逐渐升高到峰值(90°左右),然后缓慢下降。

       加入射流之后,正对来流位置附近由于射流的存在,稳态压力系数明显减小,射流缝隙周围的剪切作用使得脉动压力系数增大。在60°~180°范围内,可以看出,1倍射流和2倍射流时脉动压力系数并没有减小,稳态压力系数的绝对值大于无射流时。3倍和4倍射流时的脉动压力系数有着明显地下降,稳态压力系数的绝对值小于无射流时。

       为了更直观的观察流场的变化过程,研究射流对涡旋脱落的影响,使用AcuFieldView进行结果处理。

无射流时流场涡量图

图7 无射流时流场涡量图

 

1倍射流时流场涡量图

图8 1倍射流时流场涡量图

 

2倍射流时流场涡量图

图9 2倍射流时流场涡量图

 

3倍射流时流场涡量图

图10 3倍射流时流场涡量图

 

4倍射流时流场涡量图

图11 4倍射流时流场涡量图


       通过观测流场的涡量分布,可以发现,涡旋从射流缝隙开始形成,并且向上游移动,由于来流方向与射流方向相反,因此在射流缝隙两侧与周围流体存在很强的剪切作用,更容易产生涡旋。在射流中心区域,在来流作用下,速度逐渐趋近于零,可以认为达到了新的前驻点位置。圆柱前端分成了两个区域:来流区和回流区,由于回流区涡旋不断产生和发展,来流区流体将难以进入回流区,圆柱前端形成包线,使得圆柱前端更加趋于流线型,从而起到外形优化作用。

       在图中的射流速度范围内,随着射流速度的增大,前驻点位置更加远离圆柱表面,圆柱前端的回流区范围也逐渐变大,间接使得圆柱的外形流线得到优化。从圆柱尾部的涡旋可以看出,射流的存在,延迟了涡旋的脱落,随着射流速度的增大,延迟愈发明显。

4.结论

       本文将射流与圆柱绕流问题相结合,通过在圆柱前驻点开小尺度缝隙的方式,研究了射流对圆柱绕流的影响。采用Altair公司的Acusolve有限元求解器,对有无射流的情况分别进行了二维数值模拟。根据前文中的计算,可以得到以下结论:

       (1)圆柱前端的射流可以使得圆柱绕流的前驻点前移,由于射流与来流之间的相互作用,使得圆柱前端形成包线,间接优化了圆柱的外形流线。可以有效降低圆柱的形状阻力。

       (2)射流的存在延迟了涡旋的脱落,可以有效降低圆柱的脉动升力。

       (3)在射流速度较低时(1倍、2倍),射流对圆柱绕流的流场影响较小,对涡旋的脱落控制效果不明显,随着射流速度的提高(3倍、4倍),圆柱受力和流场的变化逐渐显著,可以有效地控制涡旋的脱落。在4倍射流速度时的控制效果更为明显。对于更高倍数的射流速度,以及其他可能影响的参数,本文暂时没有涉及,可作为今后研究的目标。

责任编辑:程玥
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