類方柱的氣動(dòng)性能和流場特性

杜曉慶 劉延泰 董浩天 施定軍

摘 ? 要：以優(yōu)化方柱氣動(dòng)外形為目的，采用大渦模擬方法，在雷諾數(shù)為22 000時(shí)，研究了采用不同角、邊平面形態(tài)及其組合（包括尖角、圓角、直邊、凸邊和凹邊等組合）的類方柱的氣動(dòng)性能和流場特性，重點(diǎn)分析了凸邊圓角柱的氣動(dòng)性能隨邊部曲率半徑的變化規(guī)律，并通過分析流場結(jié)構(gòu)揭示了平面形態(tài)修正對類方柱氣動(dòng)性能影響的作用機(jī)理. 研究發(fā)現(xiàn)，角、邊形狀修正可顯著改變繞流場結(jié)構(gòu)，最終影響類方柱的氣動(dòng)性能：尖角柱體圓角化、直邊柱體凸邊化能顯著降低氣動(dòng)力、負(fù)壓區(qū)強(qiáng)度和渦脫強(qiáng)度，并伴隨斯托羅哈數(shù)上升;而直邊柱體凹邊化后氣動(dòng)性能變化趨勢相反;不同角邊形狀的組合中，凸邊和圓角的組合可導(dǎo)致分離剪切層更緊貼柱體壁面，上、下側(cè)回流區(qū)范圍變小，尾流回流區(qū)長度增大，渦脫強(qiáng)度減弱，氣動(dòng)力下降. 對凸邊圓角柱的進(jìn)一步研究表明，柱體的氣動(dòng)性能對邊部曲率半徑非常敏感;并存在一最優(yōu)曲率半徑，此時(shí)凸邊圓角柱的平均和脈動(dòng)氣動(dòng)力最小，斯托羅哈數(shù)最大，尾流長度最長，渦脫強(qiáng)度最低.

關(guān)鍵詞：方柱繞流;大渦模擬;氣動(dòng)優(yōu)化;高雷諾數(shù);截面修正

中圖分類號：TU973 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：To optimize the shape of square cylinder， Large-eddy Simulation is applied in the study of flow past square cylinders at a high Reynolds Number Re of 22 000. The cylinders have various combinations of sharp/round corners and flat/concave/bulging edges. Particularly，the aerodynamic characteristics of cylinders with a combination of round corners and bulge edges are studied with the changing curvature radius of the edge. Besides， the flow patterns are discussed in detail to reveal the mechanism of aerodynamic optimization. The results show that corner and side modifications can significantly alter the structure of flow around cylinders and influence the aerodynamic performance of cylinders. In comparison to the concave modification， the round modification and bulge modification can reduce the aerodynamic forces， overall surface pressures and vortex shedding intensity of cylinders considerably. Among cylinders with various combinations of shape modifications， the cylinder with rounded corner and bulge edge leads to a thinner shear layer and a smaller recirculation region at the upper and lower sides of cylinder. Besides，it also causes a longer wake length， a weaker vortex shedding and reduces the aerodynamic forces. A further research shows that the aerodynamics of the round-bulge cylinder is extremely sensitive to the curvature radius of the edge. There exists an optimal curvature radius， which results in the lowest aerodynamic forces，the highest Strouhal number， the longest length of the recirculation region， and the weakest vortex shedding intensity.

Key words：flow past square cylinders;Large-eddy Simulation（LES）;aerodynamic optimization;high Reynolds number;cross-section modification

大長細(xì)比方形截面柱體結(jié)構(gòu)在土木工程中有廣泛應(yīng)用，如超高層建筑和大跨度纜索承重橋的索塔，其抗風(fēng)問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1-4].氣動(dòng)控制措施是一種經(jīng)濟(jì)、有效的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，適當(dāng)?shù)臍鈩?dòng)措施可有效減小風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)，因而方柱的氣動(dòng)性能優(yōu)化得到研究者的廣泛關(guān)注[5-8].

超高層建筑的氣動(dòng)控制措施包括截面的角部處理、截面形狀改變、沿高度的形狀或尺寸變化等[9-13]. Tanaka等[14-16]對角部處理、截面形狀的優(yōu)化和沿高度的形狀或尺寸變化的模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，對比分析了不同氣動(dòng)外形柱體的傾覆力矩系數(shù)、風(fēng)力響應(yīng)等結(jié)果.

針對方形截面柱體，常用的平面形態(tài)氣動(dòng)優(yōu)化措施為角部修正，包括圓角、倒角、切角等形式，這類氣動(dòng)措施可有效優(yōu)化方柱結(jié)構(gòu)的受力與風(fēng)致振動(dòng)問題[17]. Tamura及其合作者[18-20]對標(biāo)準(zhǔn)方柱、圓角、切角方柱進(jìn)行了數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)果表明，圓角和切角措施可以削弱渦脫強(qiáng)度，減小平均阻力和脈動(dòng)升力系數(shù). 文獻(xiàn)[21-26]中研究了圓角、切角、凹角等角部修正對方柱風(fēng)致響應(yīng)的影響，研究表明，3種角部措施中，圓角化方柱能最有效地抑制柱體的橫風(fēng)向響應(yīng).

對于圓角化方柱，圓角率會(huì)對柱體氣動(dòng)性能產(chǎn)生很大影響. Delany等[27]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究R/B =

1/50、1/6、1/3（R為模型圓角半徑，B為模型名義邊長） 3種圓角率方柱氣動(dòng)力的雷諾數(shù)效應(yīng). ?Carassale等[28-29]針對R/B=0、1/15、2/15等3種圓角率的方柱模型，通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了來流湍流度和雷諾數(shù)對其氣動(dòng)性能的影響. Zhang等[30]則通過數(shù)值模擬研究了低雷諾數(shù)（Re=1 000）下R/B=0、0.125、0.250、0.375、0.5等5種圓角率方柱的流場特性和氣動(dòng)性能. 杜曉慶等[31]對R/B = 1/7的圓角方柱進(jìn)行大渦模擬研究，解釋了圓角化對方柱氣動(dòng)性能影響的流場機(jī)理.

從以往研究看，方柱平面形態(tài)的修正局限在角部處理氣動(dòng)措施，但隨著超高層建筑的大量建設(shè)，出現(xiàn)了不少角部修正與凸邊、凹邊等形狀相結(jié)合的類方柱結(jié)構(gòu)，而目前尚未見到研究此類方柱氣動(dòng)性能和流場特性的文獻(xiàn). 基于上述考慮，本文采用大渦模擬方法，在雷諾數(shù)為2.2×104時(shí)，以角（尖角、圓角）、邊（直邊、凸邊和凹邊）形狀修正的類方柱為研究對象，研究了16種類方柱的氣動(dòng)性能和流場特性，以及凸邊圓角柱的氣動(dòng)性能隨邊部曲率半徑的變化規(guī)律，分析了角、邊形狀的改變對柱體氣動(dòng)性能的影響，并從流場角度探討了形狀修正對方柱氣動(dòng)性能的作用機(jī)理.

1 ? 數(shù)值方法和計(jì)算模型

1.1 ? 流動(dòng)控制方程和亞格子模型

在大渦模擬（LES）方法中，大尺度渦通過濾波后的Navier-Stokes方程直接求解，而小尺度的渦則采用亞格子尺度模型（SGS）模擬. 經(jīng)過濾波函數(shù)的濾波，可得到大尺度渦的不可壓縮Navier-Stokes方程：

本文采用的WALE常數(shù)Cω是0.325，此為Fluent默認(rèn)值，該取值下可取得比較滿意的結(jié)果. 計(jì)算采用SIMPLEC格式求解壓力速度耦合方程組，空間離散采用中心差分格式，時(shí)間離散采用二階全隱格式.

1.2 ? 計(jì)算模型和計(jì)算域

圖1為以凸邊圓角柱為例的計(jì)算模型示意圖. 均勻來流速度為U，來流湍流度為0，所有模型的截面面積相等，即面積S = B2（其中B為計(jì)算模型的名義邊長），風(fēng)向角為0°，雷諾數(shù)為2.2×104（根據(jù)模型名義邊長B和來流風(fēng)速U計(jì)算得到）. 模型的圓角半徑定義為R，邊部曲率半徑定義為K.

1/100和1/7（文中分別稱為尖角和圓角）;考慮了3種邊部形狀，即直邊、凸邊、凹邊. 圖2是本文所選取的6種截面類方柱，分別命名為：直邊尖角柱（標(biāo)準(zhǔn)方柱）、凹邊尖角柱、凸邊尖角柱、直邊圓角柱、凹邊圓角柱和凸邊圓角柱，邊部曲率半徑均為K/B = 2.5. 圖3是本文所選取的部分不同曲率半徑的凸邊圓角柱模型示意圖，本文考慮的曲率半徑K/B = 0.564（圓柱）、0.7、0.8、1.0、1.2、1.25、1.3、1.35、1.4、1.5、2.5、∞（直邊圓角柱）.

計(jì)算模型的整體網(wǎng)格和角部局部網(wǎng)格放大圖見圖4. 由圖4（a）可見，入口邊界圓弧頂點(diǎn)距離方柱中心為20B，方柱中心距離出口邊界距離為30B，橫風(fēng)向計(jì)算域?qū)挾葹?0B，計(jì)算域高度（方柱展向長度H）為4B，阻塞率為2.5%. 計(jì)算域采用速度入口邊界條件，自由出口邊界，兩側(cè)采用對稱邊界條件，展向采用周期性邊界條件，方柱表面為無滑移壁面邊界條件.

2 ? 計(jì)算參數(shù)和結(jié)果驗(yàn)證

本文以標(biāo)準(zhǔn)方柱為研究對象，在文獻(xiàn)[31]的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算模型的結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果如表1和圖5所示. 文獻(xiàn)[31]中，網(wǎng)格驗(yàn)證所采取模型展向長度為2B，為提高網(wǎng)格精度，本文以展向長度4B進(jìn)行模型驗(yàn)證，且驗(yàn)證計(jì)算時(shí)間步和展向長度的參數(shù)范圍更大.

與文獻(xiàn)[31]網(wǎng)格驗(yàn)證部分相一致，分別考察了不同周向網(wǎng)格數(shù)量、計(jì)算時(shí)間步、展向長度和展向網(wǎng)格尺度對方柱氣動(dòng)性能計(jì)算結(jié)果的影響. 本文方柱周向網(wǎng)格數(shù)的取值為120、200和320;無量綱時(shí)間步長Δt* = ΔtU0 /B（其中Δt為有量綱時(shí)間步，U0為來流風(fēng)速），為0.005、0.010、0.025和0.030;展向長度H為1B、2B、4B和6B;展向網(wǎng)格尺度為0.15B、0.1B和0.075B.

由表1和圖5可得，周向網(wǎng)格數(shù)量、計(jì)算時(shí)間步和展向網(wǎng)格尺度對計(jì)算結(jié)果的影響與文獻(xiàn)[31]中的分析相似，故本文所采取的周向網(wǎng)格數(shù)量、計(jì)算時(shí)間步和展向網(wǎng)格尺度與文獻(xiàn)[31]相一致，即周向網(wǎng)格數(shù)為200，無量綱時(shí)間步為0.025，展向網(wǎng)格尺度為0.1B. 在工況A2的基礎(chǔ)上，選取展向長度為1B、2B、4B、6B進(jìn)一步研究展向長度的影響. 比較表1中本文計(jì)算的各個(gè)工況，方柱展向長度為1B時(shí)，得到的氣動(dòng)力系數(shù)整體均偏小，對比長度為2B、4B和6B的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：隨著展向長度的增大，平均阻力系數(shù)增大，脈動(dòng)阻力系數(shù)和St數(shù)變化不大，其中展向4B和6B時(shí)平均阻力系數(shù)與文獻(xiàn)中的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和大渦模擬結(jié)果更為相近.

綜合考慮結(jié)果精度和計(jì)算資源，下文工況所選取的計(jì)算模型參數(shù)均與工況A3相近，即展向長度為4B，展向網(wǎng)格尺寸為0.1B，周向網(wǎng)格數(shù)為200，角部網(wǎng)格加密;近壁面最小網(wǎng)格厚度為0.001B，壁面附近沿徑向的網(wǎng)格增長率為1.06，近壁面y+≈1，滿足大渦模擬對近壁面的網(wǎng)格精度要求;無量綱時(shí)間步Δt*為0.025.

3 ? 角邊形狀的影響

3.1 ? 氣動(dòng)力系數(shù)和St數(shù)

圖6給出了6種柱體的氣動(dòng)力系數(shù)和斯托羅哈數(shù)數(shù)的對比情況. 總體上看，與標(biāo)準(zhǔn)方柱相比，只有凹邊尖角柱的氣動(dòng)力系數(shù)升高，其余柱體的氣動(dòng)力系數(shù)均有一定程度的降低，凸邊圓角柱的氣動(dòng)力系數(shù)均最小.

由圖6（a）可知，與標(biāo)準(zhǔn)方柱相比，凹邊尖角柱的脈動(dòng)阻力系數(shù)升高，其余柱體的脈動(dòng)阻力系數(shù)降低，且凸邊圓角柱脈動(dòng)阻力系數(shù)最小;與角部為尖角的柱體相比，圓角化柱體的脈動(dòng)阻力系數(shù)顯著降低;與直邊柱體相比，凸邊柱體的脈動(dòng)阻力系數(shù)升高，凹邊柱體降低. 分析圖6（b）和6（c）可得，角、邊形狀對脈動(dòng)阻力和脈動(dòng)升力系數(shù)的影響跟平均阻力系數(shù)的變化趨勢一樣.

從圖6（d）可見，角、邊形狀對斯托羅哈數(shù)的影響與3種氣動(dòng)力系數(shù)的變化趨勢相反. 與標(biāo)準(zhǔn)方柱相比，凹邊尖角柱的斯托羅哈數(shù)降低，其余柱體升高，且凸邊圓角柱的斯托羅哈數(shù)最大，即6種柱體中凸邊圓角柱的渦脫頻率最大.

3.2 ? 平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)

圖7分別為6種柱體的表面平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布圖. 總體上看，各柱體表面風(fēng)壓系數(shù)分布曲線整體趨勢相近，但數(shù)值差異較大，特別是脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù).

由圖7（a）可見，迎風(fēng)面（ab）上，各柱體平均風(fēng)壓系數(shù)基本一致;在上、下側(cè)面（bc和ad）和背風(fēng)面（cd），與角部為尖角的柱體相比，圓角化柱體平均風(fēng)壓系數(shù)絕對值均減小，3種圓角化柱體平均風(fēng)壓系數(shù)相差不大;對于3種尖角柱體，不同邊部形狀下，各柱體的平均風(fēng)壓系數(shù)在背風(fēng)面角點(diǎn)（c點(diǎn)和d點(diǎn)）出現(xiàn)一定的差異，且凹邊尖角柱的角點(diǎn)負(fù)壓絕對值最大，其余位置則較為接近. 分析圖7（b）可知，角、邊形狀對柱體脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的影響與平均風(fēng)壓系數(shù)的變化趨勢基本一致.

3.3 ? 平均風(fēng)壓場

圖8給出了0°風(fēng)向角下6種柱體的時(shí)間平均風(fēng)壓場. 由圖8可見，與直邊柱體相比，凸邊柱體上、下側(cè)面及尾流區(qū)負(fù)壓強(qiáng)度減弱，負(fù)壓極值減小，這是凸邊柱體平均阻力系數(shù)較小的主要原因;凹邊柱體的平均風(fēng)壓場變化趨勢與凸邊柱體相反;尾流區(qū)風(fēng)壓場的差異是造成各柱體平均阻力系數(shù)不同的主要原因. 此外，與角部為尖角的柱體相比，圓角化柱體的上、下側(cè)面和尾流區(qū)負(fù)壓強(qiáng)度大大減小.

從總體上看，6種柱體中，凸邊圓角柱尾流區(qū)域負(fù)壓絕對值最小，可見凸邊修正和圓角措施的組合能最有效地減弱柱體周圍平均風(fēng)壓場.

3.4 ? 平均流態(tài)結(jié)構(gòu)

圖9是6種柱體繞流場的時(shí)間平均流線圖. 總體上看，氣流在各柱體迎風(fēng)面角點(diǎn)（a點(diǎn)和b點(diǎn)）發(fā)生分離，并在柱體上、下側(cè)和尾流中形成6個(gè)回流區(qū)，側(cè)面和尾流的回流區(qū)在方柱的背風(fēng)面角點(diǎn)附近連通.

由圖9可見，與直邊柱體相比，凸邊柱體上、下側(cè)回流區(qū)范圍減小，氣流分離后的剪切層更貼近柱體側(cè)面，而凹邊柱體變化趨勢相反;即邊部形狀的改變主要影響柱體上、下側(cè)邊的流場結(jié)構(gòu). 與角部為尖角的柱體相比，圓角化柱體上、下側(cè)回流區(qū)范圍顯著減小，剪切層更貼近柱體側(cè)面，尾流長度增大，寬度減小.

從總體上看，6種柱體中，凸邊圓角柱上、下側(cè)回流區(qū)范圍最小，尾流長度最大，尾流寬度最小，這導(dǎo)致了凸邊圓角柱受到最小的平均阻力系數(shù)，尾流的差異是造成各柱體的平均阻力系數(shù)不同的主要原因.

4 ? 邊部曲率半徑的影響

由上文結(jié)果可知，凸邊修正和圓角措施的組合能最有效改善柱體的氣動(dòng)性能，本節(jié)以凸邊圓角柱為研究對象，進(jìn)一步探討邊部曲率半徑對凸邊圓角柱（角部率R/B=1/7）氣動(dòng)性能和流場特性的影響.

4.1 ? 氣動(dòng)力系數(shù)和St數(shù)

圖10給出了不同邊部曲率半徑下凸邊圓角柱的氣動(dòng)力系數(shù)和斯托羅哈數(shù). 注意各柱體氣動(dòng)力系數(shù)均采用名義邊長B無量綱化.

從圖10（a）可見，隨著邊部曲率半徑K/B的增大，柱體的平均阻力系數(shù)先減小后增大，在K/B=1.0時(shí)取得最小值，當(dāng)曲率半徑大于1.5時(shí)，K/B的改變對平均阻力系數(shù)的影響較小. 與直邊圓角柱和圓柱相比，不同邊部曲率半徑下凸邊圓角柱的平均阻力系數(shù)均有不同程度的降低，即圓角措施和凸邊修正的組合可以有效降低柱體的平均阻力系數(shù). 分析圖10（d）可知，邊部曲率半徑對斯托羅哈數(shù)的影響與平均阻力系數(shù)的變化趨勢基本相反，在K/B=1.0時(shí)斯托羅哈數(shù)最大，即渦脫頻率最大.

由圖10（b）可知，隨著邊部曲率半徑的增大，柱體的脈動(dòng)阻力系數(shù)經(jīng)歷了兩次先減小再增大的變化，在K/B=1.0時(shí)第1次減小到極小值，在K/B=1.35時(shí)第1次增大到極大值，總的來看，在K/B = 1.0時(shí)柱體的脈動(dòng)阻力系數(shù)最小. 分析圖10（c）可得，邊部曲率半徑對脈動(dòng)升力系數(shù)的影響與脈動(dòng)阻力系數(shù)的變化趨勢基本一致，在K/B = 1.0時(shí)柱體脈動(dòng)升力系數(shù)最小.

4.2 ? 平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)

圖11分別為邊部曲率半徑K/B=0.564（圓柱）、1.0、1.35、2.5、∞（直邊圓角柱）時(shí)凸邊圓角柱的表面平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布圖. 從圖中可見，所有柱體中，當(dāng)K/B=1.0時(shí)，柱體的平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)均小于其余柱體.

由圖11（a）可知，迎風(fēng)面上，各柱體平均風(fēng)壓系數(shù)基本一致;迎風(fēng)面角點(diǎn)（a點(diǎn)和b點(diǎn)）至上、下側(cè)邊中點(diǎn)部分，圓柱和K/B=2.5的凸邊圓角柱負(fù)壓較小，K/B=1.35的柱體負(fù)壓最大;上、下側(cè)邊中點(diǎn)至背風(fēng)面，K/B=1.0的柱體平均風(fēng)壓系數(shù)最小，圓柱的負(fù)壓最大，這導(dǎo)致K/B=1.0的柱體出現(xiàn)最小的平均阻力系數(shù)，圓柱平均阻力系數(shù)最大. 值得注意的是，K/B=1.35凸邊圓角柱的角部分離點(diǎn)附近的負(fù)壓絕對值較大，從平均風(fēng)速場（本文未給出）可知，這是由于該柱體氣流分離點(diǎn)附近的局部風(fēng)速更大造成的.

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