本案例利用Fluent计算层流圆柱绕流，并计算结果进行验证。

计算参数如下表所示。

雷诺数为100，流动为层流流动。为获取绕流过程中圆柱壁面的升力系数，本案例采用瞬态计算。利用FFT确定其震荡频率及Strouhal数。

Strouhal数定义为： 

其中N为频率，D为圆柱直径，U为来流速度。

1

Fluent设置

• 以2D、Double Precision模式开启Fluent

• 读取case文件

计算网格如图所示。

1.1

General设置

• 双击模型树节点General，右侧面板激活选项Transient采用瞬态计算

注：本案例考虑的是圆柱发生绕流后的涡脱落频率，可以先计算稳态，然后在稳态计算基础上计算瞬态。这里也可以采用Density-Based求解器，计算速度比压力基求解器要快。

1.2

Models设置

本案例采用层流计算，Models中保持默认设置。

1.3

Materials设置

• 双击模型树节点Materials > Fluid > air，弹出对话框中设置Density为1 kg/m3，设置Viscousity为0.02 kg/m-s

1.4

Boundary Conditions

模型中包含两个入口：velocity-inlet-3及velocity-inlet-7，如下图所示。

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > velocity-inlet-3，弹出对话框中设置Velocity Magnitude为1 m/s

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > velocity-inlet-7，弹出对话框中设置Velocity Magnitude为1 m/s**

• 边界outflow-2保持默认设置

1.5

Reference Values

• 双击模型树节点Reference Values，右侧面板设置Compute from为velocity-inlet-7

1.6

Methods设置

• 鼠标双击模型树节点Methods，右侧面板如下图所示进行设置

1.7

Report Definitions设置

监控圆柱面上的升力系数。

• 右键选择模型树节点Report Definitions，选择弹出菜单项New → Force Report → Lift，弹出升力系数定义对话框

• 弹出的对话框中如下图所示进行设置

1.8

Monitors

• 双击模型树节点Reports Files > report-def-0-rfile，弹出设置对话框

• 如下图所示，设置输出文件名为lift.xy

1.9

Initialization

• 鼠标双击模型树节点Initialization，右侧面板点击按钮Initialize进行初始化

1.10

Run Calculation

• 鼠标双击右侧面板Run Calculation，右侧面板设置Time Step Size为0.01 s，设置Number of Time Steps为20000

• 点击按钮Calculate进行初始化

注：圆柱绕流需要计算非常长的时间。

2

计算结果

下图为计算时间183.9 s时刻涡量分布，可看到涡脱落现象

注：由于忘记设置保存，因此这里只能看到计算结束时刻的情况。呃，计算也没有结束，挂机算了一个晚上才算了这么多。

下面进行FFT分析得到涡脱落频率及Strouhal数。

• 鼠标双击模型树节点Results > Plots > FFT弹出设置对话框

• 店家那你Load Input File…加载升力监控数据lift.xy，店家按钮Plot FFT显示图形

注：由于要获取涡脱落频率，因此可以将lift.xy文件中涡脱落之前的数据去除掉，减小数据处理工作量。

• 图形如下图所示，貌似什么都看不到，主要是因为X坐标分布太宽，可通过点击上图按钮Axes…设置的X坐标范围

• 如下图所示，取消选项Auto Range的选择，设置Maximum为0.5，点击Apply按钮

• 重新显示图形如下图所示，可以看出频率约0.8左右

• 可以设置X轴为Strouhal Number，如下图所示

此时图形如下图所示。

可看出Strouhal数约为0.2，要获取精确的St数，可通过勾选选项Write FFT to File输出计算结果，找出Power Spectral Density最大值对应的St数，如下图所示，其值为0.178。

与参考文献中的结果进行比较。 

可以看出计算误差还是比较大的，若要想进一步提高计算精度，可尝试加密计算网格及减小时间步长。

参考文献：

[1]F.M. White,Fluid Mechanics, 3rd Edition. McGraw-Hill Book Co., New York, NY. 1994 

[2]S.J. Kim, C.M. Lee, “Numerical Investigation of Cross-Flow Around a Circular Cylinder at a Low-Reynolds Number Flow Under an Electromagnetic Force”. KSME International Journal. Vol 16, pp. 363-375, 2002

文件在这里：

https://pan.baidu.com/s/1uGE63R7jYm89dX6MMLWcww

密码: 8a6d

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