ANSYS-CFX软件在钝体绕流和流固耦合中的应用研究

刘 娟，董启明

(中国民航机场建设集团西南分公司， 四川成都610000)

钝体绕流和流固耦合课题[1～3]广泛存在于土木工程领域，比如超高层风致互绕、膜结构风致振动相应、桥梁及拉索的风振和雨振等。尽管该领域已有若干年的发展，但是由于该问题应用广泛、理论复杂、研究手段有限，因此该领域的研究远未成熟。

随着计算机技术的不断发展，数值模拟软件也随之逐渐进步和成熟。比较著名的商用软件ANSYS已经能够进行部分流固耦合问题的研究。现在的ANSYS软件12版本以上，已经集合了原有的ANSYS MECHANICAL、ANSYS-CFX和ANSYS-FLUENT，在Workbench和AYSYS-MULTIFILED的整合下，可进行流固耦合问题的数值模拟。

本文皆在利用ANSYS-CFX软件进行若干算例的数值模拟研究，以证明该软件和该方法的有效性，可为类似工程问题借鉴和参考。

1 控制方程

在求解流固耦合的问题过程中，不可避免的就是要求解流体力学控制方程。不可压缩流体连续性方程和动量守恒方程(Navier-Stokes，N-S方程)表示如下：

(1)

(2)

式中：v、p分别是速度和压力矢量，ρ、v分别是流体密度与运动粘度。对于水，这里取ρ=1 025 kg/m3，v≈1.0×10-6m2/s。

流体方程的求解采用CFX软件中的有限体积法求解。固体方程的求解采用的是传统的有限元方法。

2 算例研究

2.1 单圆柱绕流

算例1是单圆柱绕流算例。如图1所示圆柱置于流体区域中，圆柱的直径为d，流体的区域长度为L=30d，宽度为D=15d。流体来流的速度为U∞=1，左侧为入口边界。雷诺数定义为Re=ρU∞d/v。图2为圆柱附近计算域的网格划分的细部刻画。整个流体区域共分为38 912个单元。计算采用二维计算。

图3所示为雷诺数Re=40时刻的速度流线图。清晰可见在圆柱后方形成一对对称结构的速度漩涡，这是在Re=40的结果下的典型特征。表1对比了不同组网格密度下的不同单元组(S1-S8)的平均阻力系数Cd的值，单元数从S1组中的2 384增长到S8组的442 908，而平均阻力系数也逐渐的趋近于1.606。网格越密，精确度越高。因此通过以上计算可知，在Re=40下单圆柱绕流的平均阻力系数为1.606左右。也通过以上算例揭示计算程序的正确性。

图1 单圆柱绕流算例示意

图2 网格划分

图3 Re=40时的圆柱尾流流线

Simulation NumberNO. Of ElementCds12 3841.430s29 7281.586s321 7441.595s438 9121.601s587 5521.602s6136 6201.602s7196 5601.602s8442 9081.606

2.2 单圆柱竖向涡激振动

算例2是单圆柱竖向涡激振动算例。是在图1算例的基础上将流体域扩展到三维，允许圆柱在竖向进行运动。这样圆柱在来流流体的作用下发生竖向涡激振动。折合速度为3，折合质量比为6。雷诺数为Re=42 000，同时由于是湍流，所以采用了三种湍流模型进行计算。这三种湍流模型是k-ε模型、Spalart-Allmaras模型和SST k-ω模型。

图4所示为圆柱的升力系数时程曲线，分别采用这三种湍流模型计算。对比发现圆柱的升力系数曲线的范围在-0.2～0.2之间，并出现较均匀的周期性结果。比较三种湍流模型，发现其结果均比较接近。需要指出的是，湍流模型能得到近似的结果，因此需要多湍流模型进行对比计算，从而获得较合理的结果。

图4 Re=42 000采用三种不同湍流模型得到的圆柱升力系数曲线时程

图5为圆柱三维涡激振动的瞬态形状以及不同截面下的尾流模式。可以看到，在这些参数下，圆柱由于流体的作用会发生弯曲，同时不同圆柱截面未知形成的尾流流态是不一样的。因此涡激振动是个非常复杂的问题，需要具体问题具体分析。

图5 圆柱振动形状以及不同截面的尾流模式

3 结论

利用ANSYS-CFX商业软件研究了雷诺数Re=40下的单圆柱绕流现象以及Re=42 000下采用三种不用湍流模型研究了单圆柱的竖向涡激振动现象，得出结论如下：

(1)ANSYS-CFX可有效计算低雷诺数下的圆柱绕流问题。

(2)ANSYS-CFX下课利用多湍流模型共同研究圆柱的涡激振动现象。计算结果可为工程提供指导和参考。

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