圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究

圆柱绕流的数值模拟一、问题简介我们考虑一个固定的无限长圆柱体，其直径为10mm，空气以均匀的速度由远处而来绕过圆柱，气流会在圆柱后发展为复杂的流动。

这是一个经典的流体力学问题，随雷诺数的增加，柱体后的流动形态会由对称向不对称转变，并产生卡门涡街。

我对不同雷诺数下的流动进行了数值模拟，并对计算所得流场进行了比较和分析。

二、文献综述圆柱绕流作为最为常见的钝体绕流现象，演绎出了大量的流体控制工程技术和理论研究课题。

这类问题常见的有风掠过建筑物，气流对电线的作用，海流冲击海底电缆，河水对桥墩的冲击，气流经过冷凝器中的排管、空中加油机的油管以及飞行器上的柱体等等，具有很高的工程实践意义。

同时圆柱绕流又是流体力学的经典问题，其蕴含了丰富的流动现象和深刻的物理机理，长久以来一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟的研究对象。

流体绕圆柱体流动时，过流断面收缩，流速沿程增加，压强沿程减小，由于黏性力的存在，就会在柱体周围形成附面层的分离，形成圆柱绕流。

在圆柱绕流问题中，流体边界层的分离与脱落、剪切层的流动和变化、尾迹区域的分布和变动，以及它们三者之间的相互作用等因素，使得该问题成为了一项复杂的研究课题。

圆柱绕流的流动状态主要由雷诺数(Re)决定,根据不同的Re范围，流动会经历多种流动状态，在我们流体力学的教材上，就可以查到不同雷诺数下圆柱绕流的形态变化，而下表更加完整详细。

表一在使用CFD方法对圆柱绕流进行求解时，早期使用求解二维定常N-S方程的方法来模拟绕流流场。

然而，由于圆柱尾部涡脱落的存在，绕流流场随时间在不断改变，具有非定常特性，因此就需要求解非定常N-S方程。

目前，在低雷诺数层流条件下，多以求解二维非定常N-S方程来研究圆柱绕流。

但随着雷诺数的增加，绕流流场中沿展向的三维特性越来越显著，如果还使用二维计算模型求解流场，必然不能正确的解析流场结构，获得正确的流场参数。

所以在大雷诺数条件下就需要求解三维的N-S方程。

气液两相圆柱绕流旋涡脱落特性的数值模拟的开题报告一、研究背景及意义气液两相流是指空气或气体与液体或固体在一定条件下混合成的复杂流动状态，是很多工业、环境和生物领域中重要的物理现象。

其中气液两相圆柱绕流作为气液两相流的经典问题，涉及到许多实际工程问题，如海洋工程中的海洋平台、桥梁与建筑物等结构体，空气动力学中的飞机、桥梁及通风设备等。

对于气液两相圆柱绕流问题的研究，是为了更好地认识其特性和行为，从而在实际运用中提高工程效率和性能，同时也在理论研究上具有重要的意义，实验方法已经得到广泛应用，但在某些条件下难以获得合适的数据，因此数值模拟方法成为了解决问题的有效手段。

二、研究内容及方案1.研究内容本文将探讨气液两相圆柱绕流旋涡脱落的数值模拟问题，基于计算流体力学（CFD）方法，采用多相流模型，在不同的流速和液相浓度下，建立三维数值模型，研究气液两相圆柱绕流的动态特性，以及旋涡脱落机理分析。

2.研究方案（1）数值方法本文采用计算流体动力学（CFD）数值方法研究气液两相圆柱绕流旋涡脱落问题。

通过FLUENT 软件对此问题进行数值模拟，采用在Eulerian 转换框架内的多相流模型。

其中，采用 VOF 模型描述了两相流的界面，使用 LES（大涡模拟）方法模拟气相的湍流流动。

（2）模型建立模型采用三维无穷长圆柱及其周围环境构成的区域，其直径为 D=0.1 m,长为L=1.0 m，环境为空气。

模型流入速度为 U=1.0 m/s。

模拟时间为稳态问题下的流动现象，时间步长为1.0e-4s，总时长为50s。

在模型中同时考虑气相与水相，根据实际需求，调节水相的浓度，也就是体积分数进行模拟。

（3）数值分析根据数值模拟结果对气液两相圆柱绕流旋涡脱落问题进行分析，主要分析旋涡在不同的 Reynolds 数和液相浓度下的演化与脱落规律，分析液相各种物理量随着位置、时间的变化规律等。

三、预期成果及意义1.预期成果通过本研究，可以获得气液两相圆柱绕流旋涡脱落的数值模拟结果，从而对其动态特性进行深入研究，在不同的流速和液相浓度下，建立与实验相关的数据，揭示其脱落机理，探讨气液两相圆柱绕流的核心问题。

流体力学中的涡脱落分析引言涡脱落是流体力学中一个重要的现象，它在自然界和工程领域都有广泛的应用。

涡脱落的分析不仅可以帮助我们深入理解流体的运动规律，还能在工程设计中提供有价值的参考。

本文将介绍涡脱落的基本概念、形成机制以及分析方法，并以此为基础展开探讨其在流体力学中的应用。

涡脱落的概念与形成机制涡脱落是指在流体运动过程中涡旋形成和消失的现象。

涡旋是指流体中的旋转结构，它通过流体粒子的旋转运动实现能量传递和动量交换。

涡脱落是涡旋形成和解体的过程，涡旋的形成通常伴随着流体的不稳定性和湍流的产生。

涡脱落的形成机制通常可以归结为以下几种：1.几何不稳定性：当流体经过形状不规则的物体时，几何不稳定性会导致流体流动产生涡脱落现象。

例如，当流体通过圆柱体时，流场会在周围形成一个循环的涡旋结构。

2.动力学不稳定性：动力学不稳定性是指流体流动的非线性特性导致的涡脱落现象。

例如，当流体在高速流动中出现剪切层时，流场中的不稳定性会导致涡旋的形成和消失。

3.外部扰动：外部扰动是指外界对流体流动的干扰，如障碍物、声波等。

外部扰动会引起流场中的涡旋形成和消失，从而导致涡脱落现象的发生。

涡脱落的分析方法涡脱落的分析通常需要借助数学模型和实验手段。

下面将介绍几种常见的分析方法：数值模拟方法数值模拟方法是通过建立流体动力学的数学模型，采用数值计算方法求解模型方程，从而获得流体流动的详细特性。

在涡脱落的分析中，数值模拟方法可以用来模拟涡旋的形成和消失过程，研究涡脱落的机理和影响因素。

常用的数值模拟方法包括有限差分法、有限元法和计算流体动力学（CFD）方法等。

其中，CFD方法是目前应用最广泛的数值模拟方法之一，它可以模拟复杂流动情况下的涡脱落现象，并提供详细的流场信息。

实验方法实验方法是通过设计和进行实验来观察和测量涡脱落现象，从而获取流体力学参数和流场特性。

实验方法可以直接观察和记录涡旋的形成和消失过程，为理论模型的验证和参数的确定提供基础数据。

圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究近年来，圆柱绕流的研究受到广泛关注，因为它在航空、工程、医学、军事等方面有着重要应用价值。

针对圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律进行研究就显得十分必要。

圆柱绕流是由质点在离心力作用下绕着圆柱旋转而产生的一种流动现象，它是航空、工程等各个领域研究中不可忽视的重要对象。

流动特性对于了解圆柱绕流发展规律具有重要意义，可以提出有效的解决措施，解决实际问题。

圆柱绕流的流场特性可以用实验测量和计算模拟的方法进行研究。

从流动的结构上看，圆柱绕流主要有熔池、熔池环、涡脱落等。

圆柱绕流的流动可以分为外涡流和内涡流，它们的结构和性能有很大的不同，作用于圆柱表面的质量流量、动量流量和能量流量也不同。

圆柱绕流涡脱落规律是强烈耦合的流动特性，主要有三个不同的涡脱落区域：内涡涡脱落区域、外涡涡脱落区域和熔池涡脱落区域。

涡脱落区域的动量、热量以及质量流量的分布及形态变化，以及流场的性状变化也是研究圆柱绕流流场特性的重要内容。

除了实验测量和计算模拟之外，还可以借助数学分析方法进行研究。

采用不同的假设，用空间分离变量法或混合渠道法求解圆柱绕流的流场和涡脱落定律，可以得到比较满意的结果。

此外，可以利用数值模拟法进行研究，这是一种比较现代的方法，可以研究圆柱绕流流场特性和涡脱落定律。

采用数值模拟法进行研究的优点是：可以进行流体动力学和热力学实验，深入地探究圆柱绕流的不同特性，研究结果表明，该方法具有更强的准确性和可靠性。

综上所述，圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究是研究圆柱绕流过程中不可忽视的重要内容，同时也是解决实际问题的重要研究内容。

未来应继续深入探索圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律，以期更好地推动航空、工程等领域的发展和进步。

通过本文内容，我们可以看出，圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究是研究圆柱绕流的重要内容，可以运用实验测量、计算模拟、数学分析等多种方法来系统研究。

未来应继续研究圆柱绕流的流场特性和涡脱落规律，以期更好地推动航空、工程等领域的发展和进步。

二维圆柱绕流摘要:采用有限体积法求解二维N -S 方程，对雷诺数1,10,100的二维圆柱非定常流场进行了数值模拟，对比各雷诺数下其流动情况发现，在Re=1时，圆柱上下游的流线前后对称，此Re 数范围的绕流称为斯托克斯区；随着Re 的增大，圆柱上下游的流线逐渐失去对称性。

当Re=10时，沿圆柱表面流动的流体在到达圆柱顶点（90度）附近就离开了壁面，分离后的流体在圆柱下游形成一对固定不动的对称漩涡（附着涡），涡内流体自成封闭回路而成为“死水区”；随着Re 的增大，死水区逐渐拉长圆柱前后流场的非对称性逐渐明显，此Re 数范围称为对称尾流区。

圆柱下游流场不再是定常的，圆柱后缘上下两侧有涡周期性地轮流脱落，形成规则排列的涡阵，这种涡阵称为卡门涡街。

1. 圆柱绕流研究圆柱绕流是一个经典的流体力学问题，流体绕圆柱体流动时，过流断面收缩，流速沿程增加，压强沿程减小，由于粘性力的存在，，就会在柱体周围发生边界层的分离，形成圆柱绕流。

圆柱绕流现象比较复杂，因此，对圆柱绕流研究具有重要的基础理论意义。

研究圆柱绕流问题在工程实际中也具有非常重要的意义。

如水流对桥梁、海上钻井平台支柱、海上输运管线、桩基码头等的作用中，风对塔设备、化工塔设备，高空电缆等的作用中，都有着重要的工程应用背景。

因此，对圆柱绕流进行深入研究，对其流动机理进行分析，不仅具有理论意义，还有明显的社会经济效益。

2. 数值方法因为本文主要求解雷诺数Re=1,10,100时的圆柱绕流情况，需要求解二维非定常不可压的N—S 方程组：本文采用有限体积法对上述微分方程进行离散，然后用SIMPLE 算法对离散方程进行求解，计算中时间推进采用二阶隐式格式，空间离散采用三阶精度的QUICK 格式。

控制方程如下：0jju x ∂=∂ (1) 1()()ji j i j j j ju u p u u t x u x x νρ∂∂∂∂∂+=-+∂∂∂∂∂ (2) 3. 网格划分及模拟工况3.1计算网格计算的区域大小为上游边界距圆柱圆心为2.5D ，下游边界距圆柱圆心10D ，顶部和底部边界距圆柱圆心2.5D ，如图1所示。

133 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 工 程 技 术墩柱周围水流问题研究中,传统的测量方法是点测量,[1]因而无法获得全场的同步信息。

近年来,随着图像处理技术和信号分析理论的迅猛发展,实验设备的数字化给流体力学的研究领域注入了新的活力。

[2]利用这些新型技术手段不仅能够直观地记录流动现象,还能够比以往更为准确地揭示流动的规律,这些技术已然成为水流问题研究过程中的重要的手段。

[3]本文在分析面流场时采用了粒子图像测速技术,[4]对圆柱型桥墩模型绕流的流场特性进行了分析。

1 实验装置介绍1.1试验仪器设备参数试验是在大连理工大学海岸及近海国家重点实验室的P I V 水槽进行。

水槽长22m,宽0.4m。

在测量中运用PIV(粒子成像技术)和ADV(声学多普勒流速仪)两种仪器结合的方法。

PIV流速测量系统为美国TSI公司生产。

A D V 为n o r t e k 公司产的Vectrino+。

1.2试验方案设计实验用圆柱直径为6cm,取0.1、0.15、0.25m /s 三种来流速度,激光取样频率为15Hz。

2 圆柱型桥墩绕流流场特性分析2.1频谱特性分析(图1)本实验中流速仪的采集频率设定为100Hz,远高于大尺度涡旋从圆柱后脱落频率,因此分析可以得到旋涡从圆柱后脱落时的频率。

本文提取圆柱正后方5c m、水深5cm处的三维速度观测数据进行分析,得到三种流速下与流速垂直方向的脉动流速频率振幅。

2.2瞬态流场分析为了更清晰地考察旋涡从圆柱后脱离时的流场情况。

用瞬时流线图记录圆柱后方漩涡发展过程。

取样实验组次来流速度为0.1m/s,雷诺数为6000,此时圆柱后方为紊流状态。

在旋涡从圆柱下方脱落的同时,旋转方向与方柱下方脱落旋涡的旋转方向相反。

圆柱下方旋涡脱落后向上运动时,卷吸紧贴圆柱后方的低速流体,几何尺寸不断变大。

脱落的旋涡继续向下运动,当第二个漩涡形成之时,由于两个旋涡的旋转方向相反,相互影响,下游的旋涡的能量被削弱。

流体的圆柱绕流和球体绕流流体力学是一门研究流体运动规律的学科，其中圆柱绕流和球体绕流是其中两个重要的研究领域。

本文将对这两个问题进行探讨和分析。

一、圆柱绕流圆柱绕流是指流体绕过圆柱体的运动情况。

这个问题的研究对于建筑物、桥梁等结构的设计以及风力发电、水力发电等领域的应用具有重要意义。

圆柱绕流问题的研究可分为二维和三维两种情况。

二维情况下，流体运动在一个平面内进行，圆柱绕流主要表现为流体分离和脱落现象。

三维情况考虑了流体运动的立体特性，圆柱绕流的现象更加复杂，例如涡脱落、涡欧拉现象等。

对于圆柱绕流问题，研究者发现了一些重要的现象和特点。

例如，在二维情况下，当雷诺数（Reynolds number）小于约50时，流体边界层分离现象较为明显；而在Reynolds数大于约50时，主要以卡门漩涡（von Kármán vortex）为特征。

此外，三维情况下，流体流动情况更为复杂，存在多种多样的涡流结构。

圆柱绕流问题的研究方法有很多，例如实验方法和数值模拟方法。

实验方法通常使用风洞试验或水洞试验，通过测量流场参数来获得流体运动规律。

数值模拟方法则通过计算流体的动力学方程，以及采用适当的网格划分和离散算法，模拟圆柱绕流的流体运动情况。

二、球体绕流球体绕流是指流体绕过球体的运动情况。

球体绕流问题的研究同样对于许多领域具有重要意义，如船舶设计、飞行器空气动力学、流体工程等。

和圆柱绕流相比，球体绕流的流动状态更加复杂。

在低雷诺数下，流体会产生分离现象，形成稳定的涡结构；而在高雷诺数下，流体的运动规律更加多样，可能出现流体脱离球体的现象。

球体绕流问题的研究同样采用实验方法和数值模拟方法。

实验方法中，可以通过在风洞中进行测量，如测量压力分布和速度分布，来获得流体运动的相关信息。

数值模拟方法则通过求解流体动力学方程，并应用适当的离散化算法计算球体绕流的流场。

综合来说，圆柱绕流和球体绕流是流体力学领域中的两个重要问题。