利用ABAQUS/CFD实现圆柱绕流卡门涡街

一、卡门涡街简介

卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。

图1 圆柱绕流实验中观察到的卡门涡街现象

二、ABAQUS中实现卡门涡街现象

ABAQUS作为一款功能强大的工程模拟有限元软件，自带“大型动画制作”功能。本部分内容将简单介绍如何在ABAQUS中实现简单的卡门涡街现象。

     本部分内容需要用到ABAQUS/CFD模块，最终实现的效果如图2所示。借助该案例也简单介绍一下CFD模块的具体建模过程。

图2 ABAQUS中圆柱绕流产生卡门涡街
 

建模步骤
   

1、打开ABAQUS6.14，选择With CFD Model；
   

2、创建Part-KarmanVortex，Part设置如图3所示，建立草图如图4所示，拉伸厚度0.01m，如图5所示。

图3  Part设置

图4 Part草图参数设置

图5 拉伸厚度

3、对部件进行分区，各部分参数如图6所示。

图6 模型分区

4、网格划分，全局网格尺寸0.01，中间局部区域网格0.005，如图7所示。

图7 布种及网格划分

5、创建材料属性，整个模型中只需要填充水，其中，水的密度Density为1000kg/m3；状态方程Eos中选择Us-Up，C0=1480m/s，s=0，γ=0；动力粘度Viscosity为0.001Pa•s，如图8所示。

图8 水的材料属性

6、创建界面并指派材料属性，截面种类只能选择Fluid，后面选Homogeneous；

7、装配模型，只有一个Part-KarmanVortex，默认装配即可；

8、创建分析步，分析步类型为Flow，时间总长120s，湍流模型(Turbulence)选k-e RNG，具体参数默认即可，如图9所示。

图9 分析步设置

9、创建场输出，输出频率为200，输出场变量见图10，需要选中Fluid-VORTCITY来观察流场中涡的变化规律。

图10 分析步设置

10、本案例只是单纯的模拟圆柱绕流中的卡门涡街现象，不存在流固耦合作用 （流固耦合的重要特征是两相介质之间的相互作用，固体在流体载荷作用下会产生变形或运动；固体的变形或运动又反过来影响流体的运动，从而改变流体载荷的分布和大小），不需要设置相互作用。

11、定义载荷。首先定义流场边界条件，选用速度入口，大小为0.1m/s，湍流参数设置如图11所示；选用压力出口，大小为0，湍流参数设置如图12所示；圆柱壁面设置为wall，No slip（无滑移处理），湍流模型无法更改，默认即可，如图13所示；设置流体在上下两个表面不允许沿Z轴方向流出，因此Z轴方向速度为0，X，Y方向无需做改变，如图14所示；设置流体在上下两个侧面的边界条件与速度入口一致，不作wall处理，意味着模型在上下两个侧面方向无限延伸，如图15所示。

其次设置预定义场，分别设置流体密度初始场（Fluid Density），流体湍流初始场(Fluid Turbulence)以及流体速度(Fluid velocity)初始场，具体数值见图16。

图11 速度入口设置

图12 压力出口设置

图13 圆柱壁面wall设置

图14 设置流体在上下两个表面不允许沿Z轴方向流出

图15 设置流体在上下两个侧面边界条件与速度入口一致，模拟流场沿侧面无限延伸

图16 流体密度初始场，流体湍流初始场以及流体速度初始场的设置

12、创建Job提交计算即可。开并行运算若出现Invalid command line option: mp_mode = THREADS错误，说明是电脑的mpi版本太高，可以通过控制面板搜索后卸载，然后打开ABAQUS安装包(以6.14版本为例)win86_64/mpi_3.0_x64重新安装即可。

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