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初尝Fluent丨塔器防振设计 之 卡门涡街仿真

时间：2020-09-29 来源：卢梭说压力容器 浏览：
风载作下的塔器，事实上就是流体力学中的经典问题——圆柱绕流。已有不少研究者借助Fluent、CFX等CFD软件对此进行了研究，例如：

[1]苏文献, 金玉龙, 韩超. 单塔风诱导振动破坏分析[J]. 上海理工大学学报, 2013, 35(4).

[2]赵菲. 大型直立设备组合结构的强度和诱导振动分析[D]. 北京: 北京化工大学, 2013

[3]李晓琳. 塔器扰流器设计及防振性能研究[D]. 天津: 天津大学, 2014

[4]王恒宇. 高塔流固耦合振动特性分析及结构改进研究[D]. 湘潭: 湘潭大学, 2015.

[5]邱雅柔. 塔设备振动对气动特性影响及其风致其振判别方法研究[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2018。

感觉这是一个值得探索的领域，所以也趁着假期，捡起了流体力学，找了些书、视频教程学习了下计算流体力学CFD软件Fluent，从最为经典的圆柱绕流做起。经过反反复复的尝试，终于感觉有点眉目了。做了一个雷诺数Re=3900，圆柱直径0.010m，介质为水（刚开始用空气，但空气密度、黏度太小了，对计算要求较高）的二维仿真。
Re=3900的圆柱绕流也是长久以来大家研究的一个经典问题，其公认的阻力系数、斯特罗哈数分别为0.99、0.2左右，见下方截图，截图来自文献：于定勇, 等. 并列双圆柱绕流的水动力学特性研究[J]. 中国海洋大学学报, 2015, 45(5).

仿真在ANSYS Workbench平台中进行，主要过程包括：建模，划分网格（及边界命名），然后在Fluent中选择计算模型（采用SST K-ω），选择材料，给定边界条件（主要是输入进口速度），设定参考值（输入特征长度等，会影响阻力升力系数，但不影响力的大小），定义监视器（设定迭代误差，输出阻力升力曲线等），初始化，设置时间步、步数，等，然后开始计算。其中最为重要的是网格划分和时间步，需要多次试算、验证。

边界条件如下：

 
 
圆柱壁面附近网格：
 
 
一、时间步为0.01s时，得到的速度云图、阻力系数曲线图、升力系数经FFT变换得到的斯特罗哈数，分别见下面几个截图。0.01步长计算得到的平均阻力系数Cd为0.94左右，但没有明显的周期，斯特罗哈数St为0.16，两个数都不太可信。
 
 
 
 
二、时间步长为0.001s时，速度云图、Cd、St分别见下面几个图。这回计算时间比较长，旋涡脱落也比较明显了，St基本上准确，但Cd误差较大。还需要进一步的研究学习。
 
 
 
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