圆柱扰流计算与物理现象问题思考



  • Re=100层流圆柱扰流,存在如下问题:

    1.查看Cp曲线,我观察如下两个特征,0度Cp=1,30度Cp=0,30度还对的可以(0.1464644),但是滞止点处压力却总是高于1,换了几套网格还是一样,这是怎么回事?
    0_1491584731412_1.jpeg

    2.傅里叶分析,我发现只能对升力系数分析得出的频率f,计算St数才能和试验对上,其他的频率分析都不对,也就是说试验所测的涡脱落频率和Cl震荡频率一致,看起来貌似合理,但是其根本原因是?

    3.计算的统计时均Cd比试验值高,我尝试改变物性,发现影响比较大,这是怎么回事呢?
    0_1491585216095_Cd.jpeg

    6_1491584960826_U 5_1491584960826_turbulenceProperties 4_1491584960826_transportProperties 3_1491584960825_p 2_1491584960825_fvSolution 1_1491584960825_fvSchemes 0_1491584960825_controlDict


  • 版主

    stagnation 稍微高于1还是可以接受的,Cp的绝对大小和of参考压力以及参考速度的取值是有关系的。但是我发现你的Cp在stagnation point 1.2+,感觉有点高了,不知道楼主有没有试过更大的网格?或者说质量更高的网格?

    求St的方法有很多,比如对阻力或者升力系数fft,或者在wake区域对某个参考点速度检测,然后在垂直于来流方向做fft。需要注意的是对Cd做fft所得的St应该是对Cl的两倍才对,你可以分析一下圆柱表面的合力在一个Shedding周期的变化就会明白了。

    Cd的偏高同样和Cp的偏高有联系,建议楼主用更大的网格,用更好的网格,用高阶的离散格式,用更高的收敛准则。不太明白楼主所说改变物性是什么意思?

    祝好。



  • @random_ran 你好,我用2D几何模型,DDES_SA湍流模型试算Re3900,算的基于Cd的St数和基于Cl的St相差甚远,是不是必须有2倍的关系计算才是正确的呢?有没有相关文献说明这个问题呢?谢谢


  • 版主

    @yhdthu

    3900 已经是sub-critical了,这个区间的雷诺数已经有3D效应了,建议extrude你的2D 网格,在轴向上拉长 pi 的长度并布置48或者更高层网格。

    对于这个St从Cd和Cl的计算产生的差异,我觉得这样理解比较好:

    想象钟表平面是那个圆柱截面,3点钟方向是流体流动方向,也就是Cd的方向,12点钟是升力系数为正的方向。这样规定好座标轴以后,我们在讨论作用在圆柱体表面的力的周期性变化。

    你可以想象钟表上的时针代表合力的方向,合力的周期性变化表现在时针的来回转动。

    • 当1点钟的时候,我们假定一个周期开始,这个时候Cl出现了最大正值。
    • 当3点钟的时候,Cd出现最大正值。
    • 5点钟的时候Cl,最大负值。

    从1点到5点,经历了半个周期,你会发现:
    Cl从最大正值逐渐变为最小负值,这就是正好是vortex shedding 的半个周期。

    再来看看Cd:
    Cd在1点钟的时候,我们要把Cd的真值是1点钟投影到3点钟上的大小,所以Cd此时是最小值,从1点钟到3点钟,Cd逐渐增大到 最大值(此时此刻Cd不用投影)。

    接下来从3点钟到5点钟,Cd又逐渐减小到最小值,同样需要在3点钟方向上做投影。

    总结一下:

    从1点到5点,这个半个vortex shedding 周期内:

    • Cl 也是半个周期
    • Cd 经历了一个全周期

    所以依据Cd计算的St大小应该是依据Cl的两倍。而基于Cl得出的St,和vortex shedding的频率值正好吻合。



  • @random_ran 好的,我大概明白了,看来这个问题是因为没有3D结构导致的两个St数关系不正确对不


  • 版主

    @yhdthu

    这个问题不好说,网格的关系,fvScheme的选择,湍流的选择都会有很大的影响。

    如果你研究的是St数,建议你用升力系数历史来求。还可以用probe 采集一下shearLayer的速度分布做fft,来分析频率域上的问题。



  • @random_ran 你好,我最近想研究一下网格的变化对St和Cd_ave的影响,还是那个2D模型,我算了很多算例,但是发现一点规律也没有,经过反思,我认为可能是我统计方法的问题,我的方法是这样的:
    为了能够使不同网格进行对比,要确立一个统一的标准,所以我选择了一个固定的时间段,比如0.4s,对每一个case求解的物理时间是2s,寻找这2s内哪个0.4s interval 的Cl_ave最小,因为理论上说,足够长时间平均的Cl值应该是0(合力为0),此时对应着Cp曲线也为最好程度的对称,即上半表面的Cp曲线和下半表面重合,此时统计出来的标准就唯一了,但是每个case在0.4s内的周期数不一定相等,我认为这个影响不大,忽略。
    按此方法统计出来的结果,完全没有任何规律,比如随着某个region网格的加密,Cd/St呈现什么样的特性,请问你做统计是按照什么原则做的呢?难道是所谓的“足够长”的时间么?谢谢



  • @random_ran 你好,我现在开始做3D的圆柱扰流了,Re3900,现在我想统计时均的Cp曲线,时均的容易统计,但是在展向在做一次空间平均怎么做呢?


  • 版主

    @yhdthu圆柱扰流计算与物理现象问题思考 中说:

    能够使不同网格进行对比,要确立一个统一的标准,所以我选择了一个固定的时间段

    我觉得 网格变化对St 和Cd-avg 的影响应该是 当网格达到一定程度,再加密网格这两个值都没有太大波动。但对于“太大”的理解也是因人而异的。有时候我觉得小数点后一位不变就可以,有的人觉得两位甚至三位。

    物理时间的选择,我个人的做法是开始的时候尽量往长的算,单位是星期。然后选择10,20,30,40个vortex shedding 周期(近似)来看看结果有没有太大的变化。最后再统一做决定。总结一句话,有多少计算资源我就干什么样的事情。

    我没有空间平均过Cp,只做过中截面的。目前我能想到的就是用ParaView后处理,沿轴向上切很多截面,输出压力的分布,然后先在时间上平均,最后在空间上平均。


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