带横隔板圆柱绕流特性数值模拟-水科学进展.pdf

第２７卷 第４期 水 科 学 进 展 Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．４ ２０１６年７月　 　 ＡＤＶＡＮＣＥＳ ＩＮ ＷＡＴＥＲ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｊｕｌ．，２０１６ ＤＯＩ： １０１４０４２／ ｊｃｎｋｉ３２１３０９２０１６０４０１３ 带横隔板圆柱绕流特性数值模拟 水庆象，王大国， 王　 伟 （西南科技大学环境与资源学院， 四川 绵阳　 ６２１０１０） 摘要： 为揭示尾迹区添加横隔板对圆柱绕流流场特性影响， 把多步格式引入到特征线算子分裂有限元法中， 建立 了基于多步格式的特征线算子分裂有限元法： 在每个时间步内将Ｎａｖｉｅｒ⁃Ｓｔｏｋｅｓ方程分裂成对流项和扩散项， 对流项 时间离散采用多步格式， 在每一子时间步内沿特征线展开并显式求解。 方腔流数值模拟结果表明该算法既可降低 对整体时间步长的要求又可提高计算精度。 对比有无横隔板圆柱绕流流场和圆柱表面压力变化表明， 横隔板可以 有效地抑制绕流尾迹区涡旋脱落， 提高圆柱背流面压力， 减少圆柱上下表面的压力差。 关键词： 多步格式； 有限元； 方腔流；圆柱绕流； 横隔板 中图分类号： ＴＶ１３５； Ｏ３５　 　 　 文献标志码： Ａ　 　 　 文章编号： １００１⁃６７９１（２０１６）０４⁃０５８６⁃０８ 钝体绕流常见于水利工程、 土木工程等领域， 其中圆柱绕流应用较为广泛。 当流体绕过这些圆柱形结构 ［１］ 物时会在其表面发生边界分离， 在一定雷诺数下圆柱后方出现流动分离和涡脱 。 随着涡脱的产生， 旋涡 会对结构物产生顺着来流方向（阻力）和垂直来流方向（升力）周期变化的作用力， 这不仅会诱发结构物的疲 劳损伤， 甚至还会引起共振， 影响结构物的可靠性和安全性， 缩短结构物寿命。 因此， 如何通过合适的措施 减小结构物的阻力、 抑制其流动分离进而减小周期性的脉动升力已成为工程上亟待解决的问题。 圆柱尾迹区 ［２］ 旋涡形成和脱落的机理复杂， Ｇｅｒｒａｒｄ 指出上下剪切层间相互作用是旋涡形成和脱落的关键。 据此， 学者 ［３］ 们提出在圆柱后添加横隔板来限制旋涡脱落， 改变升阻力系数。 Ｋｗｏｎ 和Ｃｈｏｉ 对Ｒｅ分别为 １００、 １６０ 的带 不同长度横隔板圆柱绕流展开研究， 给出了平均阻力系数和斯特劳哈数的变化趋势， 两种Ｒｅ下平均阻力系 数随着横隔板长度的增加而降低， 而斯特劳哈数则有着不同的变化趋势； 但没有对升力系数的变化展开研 ［４］ ＝ 究。 段志强 采用二维层流模型研究Ｒｅ ２００ 的带横隔板圆柱绕流， 虽定性地给出了升力系数随横隔板长度 ［５］ 变化的趋势， 但发现横隔板长度与圆柱直径相等时升力系数幅值会减小为０； 而Ｋａｗａｉ 的研究表明， 当横 隔板长度与圆柱直径相等时升力系数幅值会减小但不会为０。 研究带横隔板圆柱绕流场特性的方法主要有实验方法和数值模拟方法。 数值模拟方法研究带横隔板圆柱 绕流问题的关键是求解Ｎａｖｉｅｒ⁃Ｓｔｏｋｅｓ（Ｎ⁃Ｓ）方程。 在求解具有复杂几何边界流动问题时， 有限元法更具优势。 但当雷诺数较大使得对流占优时， Ｎ⁃Ｓ方程呈现高度的非线性特性， 采用标准Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元法求解将引起 数值解的振荡。 针对对流项占优时导致数值解振荡的问题， 已有多种有别于标准Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元法的新算法 ［６］ ［７］ ［８］