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（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations，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（Large eddy simulation，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（Coanda Effect），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 15.4 Hz。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
　　33355
　　49390
　　67995
　　1
　　A1
　　32425
　　48050
　　66025
　　1
　　B
　　333550
　　794085
　　79560
　　10
　　B1
　　324250
　　772325
　　76600
　　10
　　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URANS k-omega SST湍流模型，对B、B1网格，计算采用LES Smagorinsky模型，对于B1网格同时使用URANS k-omega SST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（imrgra = 5）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
　　URANS k-omega SST
　　A
　　13.33
　　0.96
　　0.09
　　URANS k-omega SST
　　A1
　　14.82
　　1.70
　　-0.68
　　URANS k-omega SST
　　B1
　　14.82
　　0.49
　　-0.19
　　no model
　　B
　　13.37
　　-
　　-
　　no model
　　B1
　　15.17
　　0.50
　　-0.19
　　LES Smagorinsky
　　B
　　17.19
　　-
　　-
　　LES Smagorinsky
　　B1
　　16.29
　　0.47
　　-0.17
　　LES WALE
　　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。
　　URANS k-omega SST 模型和 LES Smagorinsky 模型都能求解振荡器的物理特性，如振荡频率等，其中LES Smagorinsky模型能更好地捕捉到流动细节。
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