Simdroid 圆柱绕流分析（附APP）

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转自：Simapps.com

1 引言

钝体绕流是自然界中一种普遍现象，比如较大的风流经桥面时使得桥面发生震动甚至坍塌、流经大楼时使得大楼摇晃；当你站在风口时，衣衫在风中摇曳。综合起来分析，流体流经某一物体时，总会发生一些晃动。圆柱是常见的一种规则钝体，圆柱绕流的仿真也是入门CFD仿真的必经之路。

2 圆柱绕流简述

圆柱绕流的流动状态可以分为很多的阶段，很多学者采用实验的方法和数值仿真的方法发现圆柱的尾流状态与雷诺数有关系（1）（2），对应的关系如下图：

[img=151,98]https://cdn[/img] Re=5，Exp	Re <5	无分离
[img=151,103]https://cdn[/img] Re=40.3，Exp	5 < Re <40	圆柱背面形成一对稳定的对称涡
[img=151,97]https://cdn[/img] Re=140，Exp	40 < Re <150	尾涡相继脱落，形成卡门涡街
[img=151,101]https://cdn[/img] Re=270，Exp	150 < Re <300	边界层仍为层流，尾涡逐渐从层流转为湍流
[img=151,95]https://cdn[/img] Re=5500，Exp	300 < Re <3e5	边界层为层流，尾涡完全为湍流，亚临界区
[img=151,47]https://cdn[/img] Re=1e6，CFD	3e5 < Re <3e6	充分发展为湍流，涡脱落没有明显的规律
N/A	3e6 < Re	湍流涡街再次出现

3 仿真

3.1 几何：

圆柱直径为D=0.01m，计算域的大小如图所示。空气密度为1kg/s，粘度为1e-5pa*s，仿真不同雷诺数时圆柱绕流的结果。

[img=400,0]https://cdn[/img]

3.2 仿真结果

3.2.1 稳态仿真：

不同雷诺数下，圆柱尾流各不相同，在雷诺数比较小时，流动为层流，仿真结果如下图所示：

[img=400,0]https://cdn[/img]Re=1

[img=400,0]https://cdn[/img]Re=20

[img=400,0]https://cdn[/img]Re=90

可以看出，随着雷诺数的增大，圆柱后方由无分离到出现一对对称涡，再到涡失稳开始脱落。

3.2.2 瞬态仿真

对于雷诺数较高的工况，进行了瞬态仿真，结果如下：

[img=600,0]https://cdn[/img]Re=600

[img=600,0]https://cdn[/img]Re=3000

[img=600,0]https://cdn[/img]Re=60000

对比不同雷诺数为600和3000的涡脱落频率，（计算时间步一致）雷诺数越高，涡脱落越快。

4 圆柱绕流仿真APP制作

本文结尾给出了圆柱绕流的仿真APP附件，主要针对亚临界状态湍流瞬态仿真，仿真APP中可以实现柱体的直径大小以及时间步长的修改。

[img=600,0]https://cdn[/img]圆柱绕流APP演示视频

APP中的时间步长根据斯特劳哈尔数得出，在亚临界状态(Re<3e5),St大约等于0.2。

[img=100,0]https://cdn[/img]

其中：斯特劳哈尔数St、旋涡分离频率f、特征长度l、流体速度v。

参考文献：

[1] Coutanceau M , Defaye J R . Circular Cylinder Wake Configurations: A Flow VisualizationSurvey[J]. Applied Mechanics Reviews, 1991, 44(6):255.

[2] Catalano P , Meng W , Iaccarino G , et al.Numerical simulation of the flow around a circular cylinder at high Reynoldsnumbers[J]. International Journal of Heat & Fluid Flow, 2003,24(4):463-469.

本案例Simdroid 工程文件下载：

https://pan.baidu.com/s/1IygIEEIVxxBV_vIqT7PBGw
提取码：0ge7

本案例APP在线体验：

https://www.simapps.com/v/28688.html

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