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CAE案例流体振荡器流场模拟

  研究背景
  流体振荡器是没有活动部件的设备,根据流动入口的雷诺数及其几何形状的不同,能够在出口处产生均匀且可预测的频率脉动气流。流体振荡器的应用范围主要包括燃烧控制、改进翼型中的流动分离或减少阻力。
  图1:流体振荡器工作示意图
  流体振荡器一直是许多实验和数值研究的主题,流体振荡器的CFD数值模拟大多基于雷诺平均方程(ReynoldsaveragedNavierStokesequations,RANS)。
  本案例使用了流体有限元仿真软件进行高分辨率数值模拟,为了能够更好地捕捉到振荡器内部的流场细节,采用了大涡模拟(Largeeddysimulation,LES)的方法,以便更好地了解振荡器的流体动力学行为,模拟结果可用作基准测试参考。模型建立
  本案例中,振荡器的几何模型如下图所示。
  图2:振荡器几何示意图
  由于康达效应(CoandaEffect),喷嘴产生的射流倾向于附着在壁的两侧之一。
  例如,假设在特定时刻射流附着在底壁上,大部分射流将通过底部出口离开振荡器。
  随后它的一部分将通过底部反馈回路再循环至入口处,导致射流改变方向附着在顶壁上并最终通过顶部端口离开设备,此过程循环往复,离开流体振荡器的射流即按照一定的频率改变方向。
  计算中使用的流体雷诺数(基于入口宽度)为104。参考具有类似几何配置和等效雷诺数的实验工作中,流体振荡器的振荡频率为15。4Hz。模拟使用了以下网格:
  网格
  单元数
  内部面
  边界面
  三维平面
  A
  33355hr49390hr67995hr1hrA1
  32425hr48050hr66025hr1hrB
  333550hr794085hr79560hr10hrB1
  324250hr772325hr76600hr10hr图3:计算所使用的网格,从左到右为A、A1、B、B1
  对A、A1网格,计算采用URANSkomegaSST湍流模型,对B、B1网格,计算采用LESSmagorinsky模型,对于B1网格同时使用URANSkomegaSST进行计算,作为对比。
  每次计算模拟40秒,采用0。001秒的恒定时间步长,从而总共进行40000次时间迭代。
  此外,对时间使用二阶差分格式(仅用于LES模拟)和RHS重建,压力为5,速度为10。对速度采用中心差分格式求解,求解器的参数保留为默认值。最后,将梯度重建改为使用最小二乘初始化(imrgra5)的迭代重建。结果分析
  模拟结果都很好地描述了振荡器基本的物理特性,并预测了与实验大致相似的振荡频率,不同网格的具体结果有一定差别。
  为了比较,绘制了每个出口的流速关于时间的函数图像,并进行快速傅里叶变换分析(FFT),代表性的模拟结果如下图所示。
  频率、最大和最小流速列于下表中。由于存在再循环,流速会出现低于零的情况。
  图4:两个出口处的质量流量及FFT分析
  湍流模型
  网格
  频率
  最大流速
  最小流速
  URANSkomegaSST
  A
  13。33
  0。96
  0。09
  URANSkomegaSST
  A1
  14。82
  1。70
  0。68
  URANSkomegaSST
  B1
  14。82
  0。49
  0。19
  nomodel
  B
  13。37
  nomodel
  B1
  15。17
  0。50
  0。19
  LESSmagorinsky
  B
  17。19
  LESSmagorinsky
  B1
  16。29
  0。47
  0。17
  LESWALE
  B1
  17。78
  0。48
  0。17
  LE模型的模拟结果速度云图如下图所示,可以看出,LES模型的模拟结果展示了更详细的流体流动状态。
  图5:不同相位下的流场云图结论与展望
  通过采用多种网格和湍流模型进行了流体振荡器的数值模拟,验证了流体有限元仿真软件对流体振荡器模拟的适用性和准确性。
  URANSkomegaSST模型和LESSmagorinsky模型都能求解振荡器的物理特性,如振荡频率等,其中LESSmagorinsky模型能更好地捕捉到流动细节。
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