风绕塔体流动的数值模拟

    露天放置的塔设备在风力作用下,其背风面两侧将交替产生旋涡,然后脱离并形成有规律的两行分别为顺时针和逆时针的旋涡尾流,这一现象在工程上被称为卡曼涡街(或涡列)[1]。卡曼涡街的交替产生和脱离将引起塔体两侧气流压力的变化,从而产生一垂直于风向的交变横向力,使塔设备在与风向相垂直的方向上产生振动,其频率与旋涡形成或脱落的频率相等。当激振力的频率和塔设备自振频率相等时,塔体就会发生共振,产生较大的振幅,使塔设备摇晃,甚至使塔设备失效,这就是风诱发的振动[1]。在管壳式换热器中也经常出现喧嚣噪声与管束振动,因而对旋涡的整个生命周期进行研究是极为必要的。由于旋涡脱落的频率极高,若用实验研究的方法获得较高精度的结果往往代价过高,现代计算技术的发展使得对整个流场进行数值模拟成为可能。对卡曼涡街进行数值模拟,可以为实验研究和理论分析提供参考和帮助,节省大量的人力、物力和时间,对实验结果的整理和规律的发现也取了很好的指导作用;同时还能够预测出由于实验条件所限而无法测得的流场信息,从而更深地理解问题产生的机理。

    本文采用有限体积法(FVM, Finite VolumeMethod)[2]对控制方程进行离散,并用瞬态的PISO(Pressure Implicitwith Splitting ofOperators)[3~4]算法对其求解,研究其在旋涡结构模拟上的可行性。

    1　控制方程和离散格式

    瞬态流动输运方程可以写成如下统一的形式[3]:

    分别用1,u(v或w),E代替上式中的就得到相应的连续性方程、x(y或z)方向的动量守恒方程及能量守恒方程。式(1)从左向右4项分别为随时间的变化量、由于对流引起的的变化量、由于扩散引起的的变化量及流场中自身的变化量。

    对式(1)进行空间(控制体积)和时间两次积分后得:

    由于本文的模拟不涉及扩散项,因而式(2)中等号后第1项为零。对动量方程采用可达三阶精度的QUICK(Quadratic Upwind Differencing Scheme)差分格式[5]进行离散,压力-速度耦合则采用PISO(Pressure Implicit with Splitting of Operators)算法[2]进行求解。

    2　数值模拟

    2.1　计算域及网格

    计算域及网格如图1、图2所示,塔体简化成圆柱体并设其直径为D。为了使外流场不污染计结果,外流场的计算域为29D×20D。其中进口距塔中心的距离为4D,塔中心与出口的距离为25D,上下两边界与塔中心的距离均为10D。网格的划分采用结构化网格,相对于非结构化网格而言,其编程比较简单。计算域内网格节点数为12087个。