柱體繞流的CIP方法模擬

趙西增，付英男，張大可

(1. 浙江大學 海洋學院，浙江 杭州 310058; 2. 國家海洋局第二海洋研究所 衛星海洋環境動力學國家重點實驗室,浙江 杭州 310012)

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柱體繞流的CIP方法模擬

趙西增1，2，付英男1，張大可1

(1. 浙江大學 海洋學院，浙江 杭州 310058; 2. 國家海洋局第二海洋研究所 衛星海洋環境動力學國家重點實驗室,浙江 杭州 310012)

摘要：柱體繞流和流致振動現象是一個復雜的工程問題，利用自主研發的CIP-ZJU模型，對低雷諾數(Re<300)圓柱和方柱繞流問題開展了數值模擬。模型在直角坐標系統下建立，采用緊致插值曲線CIP方法作為流場的基本求解器離散了Navier-Stokes方程，基于多相流的理論實現流-固耦合同步求解，利用浸入邊界方法處理固體邊界。模擬結果與文獻結果進行比較，二者吻合情況較好。通過引入壓力阻力項和摩擦阻力項，分析了Strouhal數、阻力系數、升力系數等參數隨雷諾數的變化情況。結果表明，圓柱繞流與方柱繞流在水動力參數的變化規律上存在多處差異。

關鍵詞：柱體繞流；CIP方法；Navier-Stokes方程；浸入邊界法；Strouhal數

鈍體繞流，特別是柱體繞流問題在工程實際中經常遇到，如風吹過高層建筑物、海水流過石油鉆井平臺、海流流經海洋立管等。其共同的特點是，在一定雷諾數范圍內，粘性流體流過柱體結構物時，會發生邊界層的分離，進而對結構物產生周期性作用。因此，準確計算出流體對柱體結構的作用荷載及其在荷載作用下的動力響應，具有重要的科學價值和工程意義。

許多學者采用試驗方法和數值模擬方法開展了鈍體繞流問題的研究。Tritton[1]在實驗室內通過觀察石英試管的彎曲度得到Re在0.5～100范圍內圓柱繞流的阻力，與理論值吻合良好。Kawaguti等[2]對Re在1～100圓柱繞流問題進行了數值模擬，并考慮了壓力和摩擦力對阻力的貢獻，結果表明壓力阻力項在阻力中占有主導地位。Rajani等[3]利用二階精度的中心差分格式對對流方程進行離散，對圓柱繞流進行了二維和三維數值模擬，將兩者的渦脫頻率和升力系數進行對比，發現大于某一臨界雷諾數時，二維結果偏大，三維效應不可忽略。……