基于混合网格的椭圆柱绕流气动力干扰效应分析

摘要：采用ICEM软件，基于结构化网格与非结构化网格的混合网格，运用FLUENT平台，对特征参数为α=90°、AR=0.25单椭圆柱进行气动力干扰效应研究，并将模拟的结果与文献及全结构化网格进行对比分析。结果表明，混合网格相较于结构化网格的数值模拟结果与文献相比偏差稍大，但均在理论结果范围内，因此可应用于计算当中，并可作为不同入流攻角下多椭圆柱绕流提供一种网格划分方法。

关键词：椭圆柱； 气动干扰； 升阻力系数； 斯托罗哈数； 网格划分

中图分类号：V211文献标志码：A

0引言

风是由空气流动而引起的自然现象，由同一水平面上受热辐射不均匀所形成的水平气压梯度力所产生的。由于空气动力产生风力，因此研究对空气动力学的风工程发展具有十分重要的意义。由于大多数工程结构对风表现为钝体形状，因此研究钝体绕流问题具有非常广泛的实际应用意义。学者们在20世纪初就提出了相关的理论，著名德国物理学家普朗特［1］最早提出“边界层”理论；20世纪中期冯.卡门［2］对不可压缩黏性流体提出“卡门涡街”。这些理论为后续钝体绕流发展奠定坚实的基础。

椭圆柱作为一种介于圆柱和平板之间的钝体，深入研究椭圆柱绕流问题，有利于发现钝体绕流中具有普适性的规律。

1计算模型及网格划分

本文基于CFD方法，运用fluent平台，对Re=150下特征参数为α=90°、AR=0.25的单椭圆柱绕流分别用全结构化网格及结构化网格与非结构化网格的混合网格进行数值分析。椭圆柱长轴为0.008 m，短軸为0.002 m。

1.1全结构化网格划分及计算参数

流场尺寸如图1所示，采用的椭圆柱特征长度D=0.008 m，为避免横向边界效应，计算区域上下对称边界与椭圆柱中心的距离为50D。上游距离为50D，并采用大的下游距离100D以有足够距离来捕获尾流演变。本文中使用的上下游距离足够长，避免了边界对结果的影响，也保证了计算精度。

采用层流Laminar模型，使用Fluent软件求解不可压缩牛顿流体方程和N-S方程。整个计算区域生成结构四边形网格并在在椭圆柱中心附近的10D×10D的正方形区域中生成细网格见图2（a）。第一格距离椭圆柱表面0.000 2 m，并且沿径向以1.02的膨胀比拉伸，在椭圆柱体外围方向的网格沿展项以一定增长率扩散，形成的网格如图2所示。

流场左侧边界设置为速度入口，右侧边界设置为压力出口，上下侧设置为对称边界，椭圆柱表面设置为不滑移边界条件。当雷诺数150

U=Re·μρD（1）

式中：μ为动力粘度，取值为1.7894×10-5 Pa·s；ρ为流体密度，取值为1.225 kg/m3；D为横截面特征长度，取值为0.008 m；Re为雷诺数，本文所取值为150；代入公式求得X方向速度U=0.2739 m/s。

1.2混合网格划分及计算参数

如图3所示，混合网格所采用的流场区域尺寸与结构化网格流场尺寸相同，区别在于在单椭圆柱中心附近2.5D×2.5D区域内展开非结构网格，非结构网格整体网格比例为1.0，整体元素种子大小最大元素比例为0.2，采用的非结构化网格类型以四边形网格为主，并在椭圆柱表面0.0001 m处区域附近加密网格，非结构化网格局部网格数量为16 024，整体网格的数量为35万～36万，形成的网格如图4所示边界条件及来流速度均与结构化网格设置相同。

2数值模拟结果与分析

图4、图5分别为在两种不同类型网格下单椭圆柱绕流升阻力系数时程图。可以看出在两种网格下的升阻力系数均在一定范围内波动并具有稳定的幅值。混合网格的升阻力系数波动范围虽然比全结构化网格稍小，但均在理论范围内。再通过下式得出椭圆柱斯托罗哈数St见式（2）。

St=fVDU（2）

式中：fV为椭圆柱升力频率；D为椭圆柱特征长度，为0.008 m；U为入流速度，为0.273 9 m/s。

在表1中对混合网格单椭圆柱体混合网格与文献及上一章结构化网格模拟中的D和St进行了对比。可以看出由于存在非结构化网格，网格计算结果与Shi［4］的偏差和结构化网格相比较稍大，D的计算偏差为5.6%，St的计算偏差为3.6%，但均在可以接受的偏差范围内，可以应用于计算当中。

3结论

本文采用ICEM软件，基于结构化网格与非结构化网格的混合网格，运用FLUENT平台，对特征参数为α=90°、AR=0.25单椭圆柱进行气动力干扰效应研究，并将模拟的结果与文献及全结构化网格进行对比分析。结果表明，混合网格相较于结构化网格的数值模拟结果与文献相比偏差稍大，但均在理论结果范围内，因此可应用于计算当中，这种网格划分方法可为研究不同入流攻角下多椭圆柱绕流提供参考。

参考文献

［1］Prandtl Ludwig S H. Boundary Layer Theory［J］. Verhandlungen des drilten internalionalen Malhematiker-Kongresses， 1904：484-491.

［2］ Karman. Collected work of Theodore von Karman［M］. UK： Butterworths Scientific Publication，1956.

［3］王宇.椭圆柱绕流及气动干扰效应数值模拟研究［D］. 成都： 西南交通大学，2021.

［4］Shi X， Alam M， Bai H . Wakes of elliptical cylinders at low Reynolds number［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow， 2020， 82：108553-

［作者简介］刘嘉豪（1998—），男，硕士，研究方向为结构风工程。