立方体周围湍流场特征状态数值模拟

　　在较高雷诺数的湍流状态下,流体流动经过一个方形立方体,是典型的流体力学问题.对垂直凸壁立方体周围流体的分离、附着、旋涡尺度能否进行准确计算,反映了所使用的湍流数学模型对实验结果进行预示的能力,以及数值方法是否存在缺陷,同时也是对计算机软件编写能力的考验.近年,由于激光多普勒测量方法、染色注入、油膜技术和烟雾线测量等技术的改进,使三维湍流场中立方体周围壁面附近粘性剪切力强弱产生的效果可以定量显现出来[1-4],例如分离和附着位置的准确确定,尾迹流的长度、马蹄形环涡的形状.对于典型的流动问题能给予准确的数值预报,是对所使用软件的基本要求.各种计算流体力学(CFD)方法的发展,提供了这种可能性[5-10].该研究试图对流经立方体周围的湍流流动的粘性特征给予进一步的数值描述.其方法对于各种建筑物风压的计算都具有实用价值.

　　对三维湍流场凸壁立方体周围流场特征量的实验测量,直到20世纪90年代后期,H Hussein和RMartinuzzi通过在风洞中LDV的应用,分别并合作取得了显著成果[1-2].典型的结果是:把边长为Hb的立方体置放在雷诺数Re=8×104的湍流风洞内中心线上,风洞高h为50 mm,是立方体高度Hb的2倍,宽600 mm,立方体前缘至风洞尾端长52h.

　　文献[1]中的图7描述了在立方体和风洞对称中心线平面3个旋涡形成的平均速度场矢量分布情况;图9是与来流方向相垂直且距离立方体前表面2·75Hb位置平面的矢量图,可清楚显示靠近底壁面附近的旋涡;图11是同一平面上在立方体上部和后部,由测得的矢量场分布推论的流线图,可以看出后部回流在底面上的附着点约在ZF=1·67Hb,也就是在z=2·67Hb处,在立方体上部前边缘分离的流体并未完全在立方体后边缘上附着.在立体上部存在回流区.

　　1　数学模型和边界条件

　　计算模型如图1所示.通过细微的测量,Martinuz-zi[1-2]给出了围绕立方体流动的流线特征,在立方体的前壁、上壁、左右壁和后壁都有涡流存在.所有图中数值按通常的流体力学方法处理为无因次量,例如图中的速度是指当地速度与风洞入口速度UB相除.

　　计算软件使用PHOENICS 3·2版本.该程序在计算流体力学应用方面有良好的可信记录.PHOE-NICS软件的另一优点是可以改变源程序中的数学方程系数和边界条件,为进行不同物理情况的比较提供了方便.计算网格在3个方向上分别是NX×NY×NZ=45×38×57,如图2所示.在接近立方体附近,是指数或等值加密.在垂直方向上,除进行了2倍的立体高度2Hb、上顶侧为固体壁面条件的计算外,还进行了5Hb高度以及周围为自由边界情况的计算.使用PC机在2·0G主频情况下,完全达到自动收敛的时间大约为5 h.