基于CFE的圆柱绕流流场特性分析

苏立国，顾继俊，段梦兰，郭中云，邱 盼，张 杰

基于CFE的圆柱绕流流场特性分析

苏立国，顾继俊，段梦兰，郭中云，邱 盼，张 杰

（中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249）

流体流经非流线型结构物时会发生涡旋脱落现象。利用CFD分析软件模拟研究了单根附属杆在不同位置对圆柱绕流流场特性的影响。结果表明：不同位置的附属杆对圆柱绕流流场影响方式不同，附属杆相对位置与来流方向之间的角度为0°、90°和180°时，对圆柱绕流流场的影响分别为引导来流分流、影响分离点和控制尾流。

附属杆；圆柱绕流；流场；数值模拟

圆柱绕流是流体力学的经典问题之一，广泛存在于航空航天、水利建筑、海洋钻井等科学研究和工程实践领域［1］。如图1所示，当流体流经1个非流线型圆柱体的前缘时，流体在圆柱体前端面的阻碍作用下自然分流，并在圆柱体最宽截面处发生流固的分离，形成剪切层。剪切层的最内层比最外层流动慢，就会倾向于生成不连续的打旋的涡，从而在尾流中形成旋涡［2］。圆柱绕流周期性的涡旋脱落可能会引发涡激振动现象，对工程实践产生重大的破坏作用，因此越来越多的学者重视圆柱绕流涡旋生成与脱落问题研究［3-4］。附属杆是影响圆柱绕流涡旋脱落的主要措施之一，大量学者也对附属杆的抑制效果做了相关研究［5-6］，但针对附属杆对涡旋脱落影响机理的研究却很少。本文利用CFX分析软件模拟研究了不同位置的附属杆对圆柱绕流漩涡生成与脱落的影响机理，得到不同位置的附属杆对漩涡影响不同的结论。

图1　圆柱绕流示意

1 数学模型建立

为了研究不同位置处附属杆对圆柱绕流流场特性影响，参考前期学者数值模拟圆柱绕流问题的相关经验［5-9］，建立了如图2所示的三维模型，具体参数如下：

流体域尺寸0．4 m×0．2 m×0．1 m

圆柱体尺寸D＝0．02 m，h＝0．1 m

附属杆尺寸d＝0．2D＝0．004 m，h＝0．1 m

附属杆位置直径Df＝1．75D＝0．035 m

流体流速u＝0．03 m／s

根据研究需要，设立4组模拟试验方案。如图3所示，附属杆与圆柱体相对距离位置不变，改变附属杆与来流方向的相对角度β，分别设置无附属杆、β＝0°、β＝90°和β＝180°4种方案（如表1），对比附属杆件位于不同位置处对圆柱绕流流场特性影响情况。

图2　圆柱绕流模拟三维模型

图3　附属杆与圆柱体相对位置

表1　试验方案设置情况

2 模拟结果与分析

2．1 升力曳力系数

流体流经圆柱体后会对圆柱体作用1个周期性的升力和曳力，一般情况用升力与曳力系数来表示，升力和曳力系数是由圆柱体结构和流场性质共同决定的，定义如下［5］

式中：CL为升力系数；CD为曳力系数；FL为升力；FD为曳力；ρ为流体密度；u为来流速度；d为单位长度圆柱的迎流面积。

图4为圆柱绕流模拟的4组模型试验升力、曳力系数变化情况，可以发现升力、曳力系数变化比较明显，其中升力系数最大情况出现在无附属杆试验中，而曳力系数最大情况出现在附属杆角度为90°试验中（如图4）。

图4　不同位置拖曳力系数

分析升力、曳力系数定义公式可以发现：4组试验中流体密度和来流流速都没有发生变化，可视为常量；模型试验1、2、4三组试验中，单位长度圆柱的迎流面积也没有变化，然而3组试验的升力和曳力系数却变化明显，说明模型试验中圆柱体受到的升力和曳力发生了变化。升力和曳力是通过流体对圆柱体表面的压力与应力沿圆柱体表面积分得到的，所以升力和曳力变化的根本是流体流场结构的变化引起圆柱体表面压力与应力的变化，这一问题可以通过流体流场压力分布与流速分布来解释。

2．2 压力分布

流体流经圆柱体后会形成压力不相等的区域，根据相对于圆柱体的位置将其分为前端压力区、两侧压力区和背压区。4组试验方案数值模拟结果压力分布如图5所示，4组试验中圆柱体前端压力区的变化情况与曳力系数变化趋势相符合，说明流场压力变化与曳力系数的变化有一定的联系。

图5　不同位置情况压力云图

由图5可以看出：在没有附属杆情况下，圆柱体前端受到来流冲击力的作用，压力最大，圆柱体两侧压力逐渐降低，圆柱体背压区压力最小；当附属杆位于β＝0°位置时，与图5a对比可以发现，由于附属杆的存在，水流在冲击到圆柱体前端面之前，流场结构被附属杆破坏，减小了水流对圆柱体的冲击，使圆柱体前端面水流冲击压力降低，而两侧压力区和背压区压力基本未变；当附属杆位于β＝90°位置时，圆柱体前端压力与图5a相似，但高压区位置有偏置趋势，同时背压区向附属杆另一侧偏移，说明附属杆的存在影响了圆柱体两侧及后端流场的结构，同时增加了整体的阻流面积，与β＝0°相比高压力明显增大；当附属杆位于β＝180°位置时，与图5a相比，圆柱体前端压力分布和整体压力分布基本一致，但是背压低压区明显扩大，说明附属杆的存在影响了圆柱体后侧流场性质。

综上分析，增加附属杆之后圆柱绕流压力区域分布改变明显，而且附属杆位于不同位置处对压力区域分布影响不同。位于前端时，主要影响圆柱体前端压力分布；位于侧方时，侧后方压力影响明显；位于后方时，则对背压区影响最大。

2．3 流速矢量

4组试验方案数值模拟结果流速矢量如图6所示。

图6　不同位置情况流速矢量图

在没有附属杆的干扰下（如图6a），流体流经圆柱体发生分流，水流沿着圆柱体两侧面流动并分离，在圆柱体后侧可以发现回流现象，并有明显的成对漩涡生成，符合圆柱绕流现象。

图6b中，由于圆柱体前端附属杆的存在，在附属杆与圆柱体之间形成1个稳定的漩涡，使附属杆和圆柱体前半部分形成1个三角形导流部分，引导水流自然分流，避免直接冲击圆柱体前端面，这也解释了图5b中压力云图分布现象，同时在圆柱体后方不再有明显的成对漩涡生成，说明附属杆破坏了来流的流场结构，引导流体自然分流，减弱了流体与圆柱体表面分离引起的漩涡现象。

由图6c可以看出：圆柱体前端流速矢量情况与无附属杆情况相似，但有附属杆一侧却有明显的不同，附属杆两侧流速增大，同时在圆柱体后面只有单侧漩涡生成，说明由于附属杆的存在，增加了附属杆一侧圆柱绕流流体的速度，抑制了流体与圆柱体表面的分离，进而实现了控制漩涡生成的作用。

由图6d可以看出：β＝180°时流速矢量图与压力云图类似，圆柱体前端没有明显变化，但是后侧却变化明显；附属杆与圆柱体之间形成1个稳定的小漩涡，使圆柱体和附属杆形成1个倒三角形结构，引导流体顺利流经圆柱体后平稳汇流，控制圆柱绕流尾流的流向，此时附属杆作用类似于整流罩结构，抑制原理为破坏尾流。

综上分析，附属杆的存在干扰了圆柱绕流流场的特性，但是不同位置处影响不同：附属杆位于圆柱体前端起引导流体自然分流的作用；附属杆位于侧方起抑制流体分离的作用；附属杆位于圆柱体后端则是起引导圆柱绕流尾流自然汇流的作用。

3 结论

1)附属杆位于β＝0°位置时，主要起到了干扰来流流场结构，引导流体自然分流的作用，从而抑制涡旋的生成。

2)附属杆位于β＝90°位置时，附属杆的存在增加了圆柱体一侧流体的流速，迫使分离点后移，抑制了剪切层的分离，也实现了抑制漩涡的生成。

3)附属杆位于β＝180°位置时，对圆柱体前端来流流场结构基本没有影响，但在圆柱体后侧形成了1个倒三角形的导流区域，引导圆柱绕流尾流的汇流，控制了尾流流向，从而抑制了漩涡的脱落。

［1］涂程旭，王昊利，林建忠．圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究［J］．中国计量学院学报，2008，19（2）：99-102．

［2］丁代伟．圆柱绕流及涡激振动的二维数值模拟［D］．天津：天津大学，2010．

［3］李寿英，顾明．斜、直圆柱绕流的CFD模拟［J］．空气动力学学报，2005，23（2）：222-227．

［4］谢杰，许劲松，郁程．圆柱绕流的流动分离控制［J］．哈尔滨工程大学学报，2001．35（10）：401-406．

［5］盛磊祥，陈国明．海洋并列立管涡激振动参数分析［J］．石油矿场机械，2011，40（3）：5-8．

［6］时米波，陈国明，孙友义．基于管土耦合模型的海底管道管跨涡激振动分析［J］．石油矿场机械，2007，36 （10）：5-8．

［7］Morse T L，Williamson C HK．Fluid forcing，wake modes，and transitions for a cylinder undergoing controlled oscillations［J］．Journal of Fluids and Structures，2009（25）：697-712．

［8］王亚玲，刘应中，缪国平．圆柱绕流的三维数值模拟［J］．上海交通大学学报，2001，35（10）：1464-1469．

［9］徐枫，欧进萍．正三角形排列三圆柱绕流与涡致振动数值模拟［J］．空气动力学学报，2010，28（5）：582-588．

Flow Field Characteristics Analysis of Flow around a Cylinder with CFE

SU Liguo，GU Jijun，DUANMenglan，GUO Zhongyun，QIU Pan，ZHANG Jie
（Cffshore Cil&Gas Research Center，China Uniuersity of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

The vortex shedding phenomenon will happen when fluid flowing through the non-streamlined structure．The influence of the vortex shedding characteristics around the cylinder structure is analyzed when the single attached rod at different positions by numerical simulation of CFD software．The results show that the single attached rod effect the vortex shedding in the flow around a cylinder have different ways with different position，and when the angle between the relativeposition of attached rod and the flow direction is 0°，90°and 180°，the way of attached rod effect the vortex shedding is that：lead to the flow diversion，affect the separation point and control the flow wake．

affiliated rods；flow around a cylinder；flow field；numerical simulation

TE951

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．002

1001-3482（2015）04-0005-04

2014-10-28

国家重点基础研究发展计划（973计划）课题“深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理研究”（2011CB013702）；国家自然科学基金课题“基于广义积分变换法的深水立管涡激振动预报模型研究”（51409259）

苏立国（1987-），男，河北承德人，硕士研究生，主要从事海洋石油装备设计及海洋结构物的动力学响应研究，E-mail：vivofcup＠163．com。