三種不同網(wǎng)格類(lèi)型的les大渦模擬評(píng)估

唐遠(yuǎn)哲

【摘 要】作者對(duì)比了Numeca網(wǎng)格、六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、三棱柱網(wǎng)格在雷諾數(shù)為22000的方柱鈍體LES模擬中的計(jì)算結(jié)果和計(jì)算效率。計(jì)算結(jié)果顯示， Numeca網(wǎng)格的計(jì)算時(shí)間略快于另外兩種網(wǎng)格。Numeca網(wǎng)格和三棱柱網(wǎng)格都能得到很好的平均風(fēng)壓系數(shù)、三分力系數(shù)的統(tǒng)計(jì)值。

【關(guān)鍵詞】Numeca;LES;鈍體繞流;結(jié)構(gòu)抗風(fēng)

中圖分類(lèi)號(hào)： V223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）02-0071-002

【Abstract】The calculation results and efficiency of Numeca grid， hexahedral structure grid and triangular prism grid in LES simulation of square column with a Reynolds number of 22000 are compared. The results show that the calculation time of Numeca grid is slightly faster than that of the other two grids. Numeca grid and triangular prism grid can get good statistics of average wind pressure coefficient， three-component coefficients.

【Key words】Numeca; LES; Flow around bluff body; Structures under wind

0 引言

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)候，不同網(wǎng)格的計(jì)算效率、計(jì)算結(jié)算也不同。本文采用NUMECA公司開(kāi)發(fā)的HEXPRESS軟件生成網(wǎng)格。該網(wǎng)格生成的基本思路是在流場(chǎng)中遠(yuǎn)離目標(biāo)建筑的位置，網(wǎng)格從大到小，逐漸分裂。每一個(gè)大的長(zhǎng)方體分裂成八個(gè)等大的長(zhǎng)方體（或者不等大的長(zhǎng)方體，可自由調(diào)節(jié)）。靠近目標(biāo)壁面時(shí)通過(guò)一定網(wǎng)格畸變，使網(wǎng)格附著于目標(biāo)。本文基于OpenFOAM軟件，采用LES方法研究numeca網(wǎng)格、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、三棱柱網(wǎng)格的計(jì)算效率與計(jì)算結(jié)果。本文主旨將Numeca網(wǎng)格引入到鈍體繞流，證明了該種網(wǎng)格可以用較短的計(jì)算時(shí)間得到較好的計(jì)算結(jié)果，該網(wǎng)格類(lèi)型提高鈍體繞流和結(jié)構(gòu)抗風(fēng)領(lǐng)域數(shù)值模擬的計(jì)算效率。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 控制方程和湍流模型

不可壓縮流體的Navier-Stokes和連續(xù)性方程如下所示。從左到右，項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、壓力項(xiàng)、粘度項(xiàng)，Navier-Stokes和連續(xù)性方程貫穿全文。

2 鈍體繞流

鈍體模型采用三種網(wǎng)格體系進(jìn)行計(jì)算：Numeca非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（Numeca）、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（Structure）、三棱柱非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（Prism）。三種網(wǎng)格體系的計(jì)算除了網(wǎng)格體系，其他參數(shù)均相同。圖1為計(jì)算域，其中鈍體的邊長(zhǎng)為d=1。雷諾數(shù)為22000。

2.1 邊界條件設(shè)置

入流的邊界條件為均勻入流，入流速度為0.3256m/s，滿足雷諾數(shù)為22000。出口的邊界條件為對(duì)流出流;左右兩個(gè)面的邊界條件為對(duì)稱;上下兩個(gè)平面邊界條件為對(duì)稱。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格

本章節(jié)采用3個(gè)算例。Case1算例采用numeca網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為44萬(wàn)。Case2算例采用Structure網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為42萬(wàn)，Case3采用Prism網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為48萬(wàn)。圖3為numeca網(wǎng)格體系，其中展向方向（Z方向），網(wǎng)格有80層。方柱表面的第一層網(wǎng)格的厚度，根據(jù)公式0.2d/√Re獲得，計(jì)算結(jié)果為0.00135。

2.3 計(jì)算參數(shù)

時(shí)間步長(zhǎng)為0.0025s，空間插值采用LUST，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)Smagorinsky，算法采用pimpleFoam。

2.4 計(jì)算結(jié)果

三個(gè)計(jì)算算例都采用24個(gè)并行。Case1用時(shí)16小時(shí)，Case2用時(shí)23小時(shí)，Case3用時(shí)18小時(shí)。

總上面的結(jié)果可以看出，Numeca網(wǎng)格的計(jì)算時(shí)間略小于另外兩種網(wǎng)格。對(duì)于平均風(fēng)壓系數(shù)，Numeca網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果更好，Prism網(wǎng)格次之，Structure網(wǎng)格結(jié)果有較大誤差，這是由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間很難控制網(wǎng)格的疏密，而Numeca可以較好的在空間分配網(wǎng)格數(shù)量，將大多數(shù)網(wǎng)格產(chǎn)生在對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響的區(qū)域，在壁面附近可以產(chǎn)生比Structure更多而且更均勻的網(wǎng)格。對(duì)于阻力系數(shù)和升力系數(shù)而言，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的結(jié)果偏差較大，Numeca和Prism網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果相近。

3 結(jié)論

本文在網(wǎng)格數(shù)較小的時(shí)候，對(duì)Numeca網(wǎng)格、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、三棱柱網(wǎng)格進(jìn)行了LES大渦模擬。通過(guò)對(duì)雷諾數(shù)22000的方柱擾流的les模擬，對(duì)比了三種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果和計(jì)算時(shí)間。

（1）Numeca網(wǎng)格由于其網(wǎng)格基本為六面體且平行于流動(dòng)方向，網(wǎng)格質(zhì)量好，計(jì)算結(jié)果略快于另外兩種網(wǎng)格。

（2）Numeca網(wǎng)格和Prism計(jì)算得到的平均風(fēng)壓系數(shù)、三分力系數(shù)統(tǒng)計(jì)值。而結(jié)構(gòu)網(wǎng)格由于其尾流區(qū)網(wǎng)格質(zhì)量較差，以及壁面網(wǎng)格數(shù)量較少，結(jié)果不是很好。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Bearman， P. W.， Obasaju， E. D.， 1982. “An experimental study of pressure fluctuations on fixed and oscillating square-section cylinders”. Journal of Fluid Mechanics， 119， 297-321.

[2]Lee， B. E.， 1975. “The effect of turbulence on the surface pressure field of a square prism”. Journal of Fluid Mechanics， 69（02）， 263-282.