圆柱绕流过程的ANSYS单向流固耦合数值分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

钝体绕流的重要特征是在钝体的尾流中出现周期性脱落的涡，且脱落的涡可以在物体上诱发纵向和横向的非定常荷载，进一步激起结构的振动响应，导致所谓的涡致振动。有时这种振动甚至会造成结构损毁的严重后果。而钝体绕流现象也由于其尾部的卡门涡街这一物理现象，一直以来都作为流体力学的研究热点，备受关注。

圆柱绕流作为最常见的钝体绕流现象，一直作为众多研究学者的理论分析和实验研究的热点。圆柱绕流是流体力学的经典问题之一， 广泛存在于航空航天、水利建筑、汽车工业、海洋钻井等科学研究和工程实践领域，同时由于其尾迹流动中涉及到圆柱两侧剪切层的分离、脱落和相互作用，及尾迹中涡的脱落、分离和相互作用等，且其蕴含的众多物理机理尚未完全澄清，这都使得对于圆柱绕流的研究具有重要的理论学术意义。无论是从学术研究的角度还是从工程实用性的角度考虑，对于圆柱绕流的研究都具有深远的意义。

自 1912 年冯·卡门对这个物理现象进行论述并建立了作用在圆柱上阻力和涡街结构之间的关系后，又有众多国内外研究学者从不同角度对这一经典问题进行了研究，并取得了丰硕的研究成果：

杨烁和吴宝山应用 fluent 软件，在高雷诺数下分别采用多种湍流模型对定常和非定常工况下的圆柱绕流进行了数值模拟，计算得到了圆柱绕流的升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔数、流函数等结果，并与得到的文献中的实验结果作了比较，最终得到了相应比较合理的计算模型。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

在本次实验中，利用ansys-fluent建立不同尺寸圆柱对应的有限元流场模型，掌握和了解单向流固耦合的计算方法及其基本理论，尤其是在ansys-fluent求解器中通过不同的参数选择，设定不同的区域边界条件和流体的速度等流场特性，来模拟不同尺寸圆柱、不同流场情况下的圆柱绕流情况，继而讨论流场中绕流的漩涡场的形成过程和机理，分析速度和圆柱的尺寸对圆柱绕流的影响，并分析圆柱在流场中所受到的阻力，并于流体力学理论解进行对比验证。

2.2 研究目标

系统的学习ansys-fluent软件的各项功能和操作流程，并用该软件建立圆柱绕流的流场模型，模拟圆柱绕流的情况，掌握和了解单向流固耦合的计算方法及其基本理论。了解和解释流场中涡旋场的形成机理和过程，将模拟的结果与流体力学理论解进行对比，对模型进行修正直至与理论解相匹配。

2.3 技术方案

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，确立基本的研究思路，完成开题报告。

第4-8周：熟悉ansys计算软件，并开展有限元模型的建立，并进行单向流固耦合计算分析。

第9-11周：分析流速和圆柱尺寸对流场分布的影响，并计算圆柱所受的阻力。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] gonalves rt, franzini gr, rosetti gf, meneghini jr, fujarra alc, flow around circular cylinders with very low aspect ratio[j], journal of fluids and structures, 2015, 54: 122-141.

[2] zhu x, sun c, tong h．distribution features of transport mechanism and destruction of cuttings bed in horizontal well[j], journal of hydrodynamics ser. b, 2013, 25(4): 628-638.

[3] kang ck, aono h, cesnik ce et al. effects of flexibility on the aerodynamic performance of flapping wings[j], journal of fluid mechanics, 2011, 689: 32-74.

[4] qiu y, sun y, wu y, et al. effects of splitter plates and reynolds number on the aerodynamic loads acting on a circular cylinder[j], journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 2014, 127: 40-50．