【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一致的，不同之處在于SIMPLEC算法在通量修正方法上有所改進(jìn)，加快了計(jì)算的收斂速度。本次計(jì)算就是采用SIMPLEC算法。使用Tecplot數(shù)據(jù)可視化軟件，把導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為等值線、流線、向量、剖面、切片等圖形。4結(jié)果分析比較 非定常流情況下的各雷諾數(shù)圓柱繞流 物理模型1的二維圓柱繞流下圖41是用Fluent軟件迭代出來(lái)的（1）渦量圖；圖41（2）圖42局部渦量圖；圖42由上面的截圖中可以看出，顏色深的區(qū)域速度大，顏色淺的速度?。粡牧黧w學(xué)上說(shuō)，速度大的區(qū)域壓力小，速度小的區(qū)域壓力大；從而得出圓柱繞流模型中上下兩側(cè)的流速最大而壓力最小，前后的流速最小而壓力最大。而且柱體表面上的邊界層為層流 ,而柱體后面的渦街已完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?,并按一定的頻率發(fā)放周期性的交替旋渦，形成卡門漩渦（其中有一個(gè)網(wǎng)格沒(méi)計(jì)算顯示出來(lái)）。（3）圖43速度矢量全局圖；圖43表現(xiàn)了每個(gè)基點(diǎn)的速度矢量和整個(gè)模型的速度流向。（4）圖44速度矢量局部圖；圖44如圖詳細(xì)地表明了圓柱附近層流以及漩渦基點(diǎn)的速度矢量，表現(xiàn)了流線的方向。（5）圖45X方向的渦量等值線全局圖；渦量(vorticity)是一個(gè)描寫旋渦運(yùn)動(dòng)常用的物理量。流體速度的旋度rot V為流場(chǎng)的渦量。渦旋通常用渦量來(lái)量度其大小和方向，渦量定義為速度場(chǎng)旋度的一半。在流體中，只要有“渦量源”，就會(huì)產(chǎn)生渦旋。圖45（6）圖46X方向的渦量等值線局部圖；圖46（7）圖47Y方向的渦量等值線全局圖；圖47（8）圖48Y方向的渦量等值線局部圖；圖48（9）圖49流線圖；流線圖是表征某一時(shí)刻流體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的圖?？纱笾路从乘髡鎸?shí)運(yùn)動(dòng)情況。在圖上用一組帶有箭頭（表示水流方向）的曲線，表示流線，線上各點(diǎn)的走向到處都與該點(diǎn)當(dāng)時(shí)的流向一致?？梢杂脤?shí)際資料直接分析流線，即流線各點(diǎn)的流向必須與流線相切。也可以通過(guò)分析等流向線，間接地分析流線。流線除能起于圖的邊緣外，也能起于流向有急劇變化的地方。流線不能交叉，因?yàn)樵诮徊纥c(diǎn)上有兩個(gè)切線方向，而流向在一點(diǎn)只能有一個(gè)方向。流線的疏密可以反映流速，流線疏反映流速小，反之亦然。圖49(10) 圖410局部漩渦圖；流體繞過(guò)非流線形物體時(shí)，物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對(duì)的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對(duì)稱渦旋?？ㄩT渦街是粘性不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)所研究的一種現(xiàn)象。圖410(11) 圖411速度差值圖；使用V3=，可以描繪速度差值圖，就是各速度減去來(lái)流速度，留下的就是受力變化的速度，可以更加清晰地表現(xiàn)受阻力減速或助力加速的情況。圖411（12）圖412和圖413隨時(shí)間變化圖；圖412圖413（1）圖414渦量圖；圖414如圖附面層仍為層流分離,而尾跡已經(jīng)變成湍流渦街。（2）圖415速度矢量圖；圖415（3）圖416X方向的渦量等值線圖；圖416（4）圖417Y方向的渦量等值線圖；圖417（5）圖418流線圖；圖418（6）圖419和圖420隨時(shí)間變化圖；圖419圖420（1）圖421渦量圖；圖421如圖，在圓柱體后面出現(xiàn)一對(duì)位置固定的旋渦，對(duì)稱穩(wěn)定而且不分離。（2）圖422速度矢量圖；圖422（3）圖423 X方向的渦量等值線圖；圖423（4）圖424Y方向的渦量等值線圖；圖424（5）圖425流線圖；圖425（6）圖426和圖427隨時(shí)間變化圖；圖426圖427一個(gè)世紀(jì)以來(lái) ,圓柱繞流一直是眾多理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬對(duì)象。但迄今對(duì)該流動(dòng)現(xiàn)象物理本質(zhì)的理解仍是不完整的。圓柱繞流中 ,起決定作用的是雷諾數(shù) ,但還受到許多因素 ,如阻塞比 ,來(lái)流湍流度 ,下游邊界條件等的影響。隨著雷諾數(shù)的增加 ,粘性不可壓縮流體繞圓柱的流動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)各種不同的流動(dòng)狀態(tài) ,在小雷諾數(shù)時(shí)，粘性力占主導(dǎo)地位 ,流動(dòng)是定常的 ,隨著雷諾數(shù)的增加 ,圓柱后會(huì)出現(xiàn)一對(duì)尾渦。當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí) ,尾流首先失穩(wěn) ,出現(xiàn)周期性的振蕩。而后附著渦交替脫落 , 瀉入尾流形成卡門（Karman） 渦街 ,隨著雷諾數(shù)的增加 ,流動(dòng)變得越來(lái)越復(fù)雜 ,最后發(fā)展為湍流。決定圓柱繞流流態(tài)的是雷諾數(shù)( Re) 的值 , Re 5 時(shí) ,流動(dòng)不發(fā)生分離 , 5 Re 40 ,在圓柱體后面出現(xiàn)一對(duì)位置固定的旋渦。40 Re 150 ,旋渦擴(kuò)大 ,然后有一個(gè)旋渦開(kāi)始脫落 ,接著另一個(gè)也脫落 ,在圓柱體后面又生成新的旋渦 ,這樣逐漸發(fā)展成兩排周期性擺動(dòng)和交錯(cuò)的旋渦 ,即 Karman 渦街。Re 150 ,渦街是層流 ,150 Re 300 ,旋渦由層流向湍流轉(zhuǎn)變。300 Re 3 ,稱為亞臨界區(qū)。此時(shí) ,柱體表面上的邊界層為層流 ,而柱體后面的渦街已完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?,并按一定的頻率發(fā)放旋渦。3 Re 3 ,稱為過(guò)渡區(qū)。此時(shí) ,柱體表面上的邊界層也轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?,分離點(diǎn)后移 ,阻力顯著下降 ,旋渦的發(fā)放不規(guī)則 ,發(fā)放頻率是寬頻率隨機(jī)的。Re 3 稱為超臨界區(qū)。此時(shí) ,重新建立起比較規(guī)則的準(zhǔn)周期性發(fā)放的渦街。以上的三個(gè)模型計(jì)算結(jié)果和圖片顯示都符合理論實(shí)際。 網(wǎng)格變密的二維圓柱繞流（1）圖428渦量圖；圖428（2）圖429速度矢量圖；圖429（3）圖430X方向的渦量等值線圖；圖430（4）圖431Y方向的渦量等值線圖；圖431（5）圖432流線圖；圖432以上圖像明顯比模型1的圖像精確了不少。（6）圖433和圖434隨時(shí)間變化圖；圖433圖434在計(jì)算數(shù)據(jù)變化剃度較大的部位（如應(yīng)力集中處），為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。這樣，整個(gè)結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分形式。模型4的網(wǎng)格明顯比原型的網(wǎng)格密，迭代計(jì)算出來(lái)的圖像也更加精確，但同時(shí)計(jì)算量增加很多，計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)了不少。所以在應(yīng)力集中地或形狀復(fù)雜的地方應(yīng)該采用較密的網(wǎng)格，其他地方采用疏網(wǎng)格。由此可見(jiàn)，采用疏密不同的網(wǎng)格劃分，既可以保持相當(dāng)?shù)挠?jì)算精度，又可使網(wǎng)格數(shù)量減小。因此，網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)增加到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是不經(jīng)濟(jì)的。（1）圖435渦量圖；圖435（2）圖436速度矢量圖；圖436由于邊界條件的限制，漩渦變得更加明顯。（3）圖437X方向的渦量等值線圖；圖437（4）圖438Y方向的渦量等值線圖；圖438（5）圖439流線圖；圖439（6）圖440和圖441隨時(shí)間變化圖；圖440圖441相對(duì)原型，模型5圓柱半徑變大了，相對(duì)的雷諾數(shù)也變大了；由于邊界的限制和Re的增加，出現(xiàn)的卡門漩渦變得更加明顯和穩(wěn)定。（1）圖442渦量圖；圖442（2）圖443速度矢量圖；圖443（3）圖444X方向的渦量等值線圖；圖444（4）圖445X方向的渦量等值線圖；圖445（5）圖446流線圖；圖446（6）圖447和圖448隨時(shí)間變化圖；圖447圖448模型6上下兩圓柱相互間有很大的影響，尾渦脫落，擴(kuò)散出去后相互干擾，出現(xiàn)混雜現(xiàn)象。（1）圖449渦量圖；圖449渦量明顯比原型減少。（2）圖450速度矢量圖；圖450（3）圖451流線圖；圖451模型7在圓柱尾部中心加入合適的隔板 ,可以阻止上下剪切層的相互作用 , 推遲和消除旋渦的形成 ,并且具有減阻的作用。網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類。其中，由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有著極好的自適應(yīng)性，所以對(duì)于具有復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是非常有效的，一般是通過(guò)專門的程序或軟件來(lái)生成的。網(wǎng)格區(qū)域分為單連域和多連域。本文采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格的合理布置和適當(dāng)加密對(duì)于提高計(jì)算精度和分辨局部流動(dòng)細(xì)節(jié)至關(guān)重要，網(wǎng)格生成的好壞將直接影響到模擬和計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣。生成網(wǎng)格一般要遵循下面的幾點(diǎn)原則:(1)網(wǎng)格離散盡量簡(jiǎn)單，生成的網(wǎng)格要便于組成高效、節(jié)約的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這樣可以方便計(jì)算。(2)網(wǎng)格線盡量正交，曲線盡量光滑，不要過(guò)分扭曲。網(wǎng)格線要與流動(dòng)方向一致，有利于減少假擴(kuò)散誤差。若事先不能知道流動(dòng)方向，那么在計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際流動(dòng)更新網(wǎng)格，使之滿足要求。(3)網(wǎng)格離散盡量貼體。只要網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不貼在物體表面上，物面邊界條件便要使用插值方法而產(chǎn)生誤差，流場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)參數(shù)值都依賴于邊界參數(shù)值，故相應(yīng)都有了誤差。當(dāng)物面參數(shù)變化劇烈，或流動(dòng)參數(shù)對(duì)物面形狀很敏感時(shí)，引起的誤差將會(huì)很大。(4)網(wǎng)格分布稀疏合理，過(guò)渡自然。圓柱半徑變大似的數(shù)值模擬出來(lái)的渦旋更加明顯和穩(wěn)定。從雙圓柱的模型中可以看出上下兩圓柱相互間有很大的影響，尾渦脫落，擴(kuò)散出去后相互干擾，出現(xiàn)混雜現(xiàn)象。從阻力和升力系數(shù)曲線可看出，F(xiàn)UENT模擬結(jié)果的周期性不太明顯。在圓柱尾部中心加入合適的隔板 ,可以阻止上下剪切層的相互作用 , 推遲和消除旋渦的形成 ,并且具有減阻的作用。結(jié)論及展望首先，我們能夠利用FLUENT數(shù)值模擬了固定單圓柱、雙圓柱繞流問(wèn)題，并給出了較為精確的結(jié)果，不過(guò)，F(xiàn)LUENT數(shù)值模擬的結(jié)果精確度在很大程度上依賴于網(wǎng)格的合理分布，以及物理模型的可靠性。網(wǎng)格分布的不合理將會(huì)導(dǎo)致不同程度的數(shù)值耗散，甚至?xí)a(chǎn)生不正確的結(jié)果。其次，總的來(lái)說(shuō)，單圓柱繞流問(wèn)題相對(duì)較為簡(jiǎn)單、有序；多圓柱繞流問(wèn)題相比之下顯得比較復(fù)雜、規(guī)律性不如單圓柱那么明顯。無(wú)論是怎樣的模型，在Re數(shù)一定的情況下，圓柱的后面一般會(huì)產(chǎn)生上下交替的漩渦，并且逐漸向后方擴(kuò)散，同時(shí)，這些漩渦的產(chǎn)生也會(huì)影響圓柱的升力、阻力系數(shù)。最后，我們計(jì)算得到的結(jié)果和理論上的結(jié)果大致上基本相同，說(shuō)明我們用FLUENT數(shù)值模擬的結(jié)果是基本正確、可靠的，這為后面我們處理更多的二維問(wèn)題進(jìn)而得出可靠的結(jié)果提供了參考依據(jù)。隨著海洋石油開(kāi)發(fā)逐步向深海邁進(jìn)，流體力學(xué)的諸多問(wèn)題更加地為人們所關(guān)注。由于深海所面臨的流動(dòng)問(wèn)題比淺海更加復(fù)雜，為了避免工程上出現(xiàn)更多可能的危害，我們有必要對(duì)于海洋工程領(lǐng)域內(nèi)的問(wèn)題做深層次的研究和探討。[參考文獻(xiàn)][1]陳慧民，加快技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)我國(guó)海洋工程開(kāi)發(fā)，中國(guó)海洋平臺(tái)，，～7.[2]李玉成，海洋工程技術(shù)的新發(fā)展，中國(guó)海洋平臺(tái)，1998，，～12.[3] 蘇銘德 ,康欽軍. 亞臨界雷諾數(shù)下圓柱繞流的大渦模擬. 力學(xué)學(xué)報(bào) , 1999。 31 (1) : 100—105.[4] 何長(zhǎng)江．二維圓柱與彈性立管渦激振動(dòng)的數(shù)值模擬[D]，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，200.[5] 王亞玲，劉應(yīng)中，繆國(guó)平、圓柱繞流的三維數(shù)值模擬[J]，上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35(10).[6] 吳劍．淺水橫流中近平板水平圓柱繞流旋渦的試驗(yàn)研究[D]，武漢：武漢大學(xué)，2003.[7] 劉應(yīng)中，繆國(guó)平．高等流體力學(xué) (第二版)EM]，上海：上海交通大學(xué)出版社，2002.[8]李玉成等，波浪在水流作用下的變形，水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1995(4).[9]萬(wàn)德成. 用水深平均雷諾方程模擬有限長(zhǎng)直立圓柱繞流[J ].上海大學(xué)學(xué)報(bào) ,1995 ,1(3) :259～268.[10]李玉成等，作用于垂直樁柱上的波浪水流力，海洋學(xué)報(bào)，1986(3)：751～761.[11]酆慶增，圓柱繞流的非線性動(dòng)力學(xué)[J]，力學(xué)進(jìn)展，1994，24(4)：525～544.[12]蘇銘德,康欽軍，亞臨界雷諾數(shù)下圓柱繞流的大渦模擬[J]，力學(xué)學(xué)報(bào)，1999，31(1)： 100～105.[13]葉春明，吳文權(quán)，數(shù)值模擬圓柱繞流旋渦生成、分離及演化[J]，華東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1995，17(4)：25～30.[14]葉春明，吳文權(quán)，數(shù)值模擬圓柱繞流旋渦運(yùn)動(dòng)及尾流不穩(wěn)定性分析[J]，工程熱物理學(xué)報(bào)，1997，18(2)：169～172.[15]陳斌，郭烈錦，楊曉剛，圓柱繞流的離散渦數(shù)值模擬[J]，自然科學(xué)進(jìn)展，2002，12(9)： 964～969.[16]萬(wàn)德成，用水深平均雷諾方程模擬有限長(zhǎng)直立圓柱繞流[J]，上海大學(xué)學(xué)報(bào)，1995， 1(3)：259～268.[17]凌國(guó)平，凌國(guó)燦，圓柱振蕩繞流中渦旋運(yùn)動(dòng)模式的數(shù)值模擬[J]，計(jì)算物理，1996， 13(1)：73～78.[18] ZDRAVK0VICH，M，M，F(xiàn)low Around Circular Cylinders[M]．Volume 1，oxford University Press，1997.[19]Baddour R E，Song S，On the interaction between waves and currents，OceanEngineering，1990(1/2)：1～21.[20]Skop P A，An approach to analysis of interaction of surface waves with depth varyingcurrent fields，Applied Mathematics，1987(11)：432～437.[21]Kirby J T，Chen T M,Surface waves on vertically sheared flows：approximate dispersionrelations，Geop