FLUENT 圆柱绕流的数值模拟研究(2)
圆柱形建筑物，气流对电线的作用，海流冲击海底电缆，河水对桥墩的冲击，气流经
过冷凝器中的排管、空中加油机的油管以及飞行器上的柱体等等。研究圆柱绕流流动
的变化过程，从而找到控制流动的方法，减小流动的不稳定性，这对未来的工业生产
和飞行器的发展都具有重要的指导意义。
1.2 圆柱绕流的研究进展
1.2.1 国外研究进展
在雷诺数较小的情况下圆柱绕流流场与势流流场相似。 Thom[1]使用流函数-涡量函
数来描述圆柱绕流流动状态，研究了雷诺数为10和20的情况下圆柱绕流的稳态解。此
后，众多学者对雷诺数从1到1000范围内的圆柱绕流的稳态解进行了相应的研究，并
且研究发现即使绕流流动是非定常的，仍然存在具有对称性的稳态解。M.Zdravkovich[2]
给出了雷诺数从1到400的圆柱绕流流动状态变化的划分:当0<Re<4时，
绕流处于层流阶段，流体紧贴圆柱壁面，不产生分离现象，流动相对稳定；当4<Re<48
时，绕流仍处于层流阶段，但圆柱尾部出现一对相对稳定的漩涡，这对漩涡的旋向相
反，位置呈对称分布；当48<Re<180时，圆柱尾部稳定的对称漩涡出现周期性脱落现
象，流动状态开始不稳定；当180<Re<400时，圆柱绕从层流阶段流进入过渡尾流阶段，
其中尾流中漩涡出现的形态和脱落的过程受到某种不稳定机制的影响。
随着雷诺数的进一步扩大，流场的三文流动特性成为不可忽略的因素影响着圆柱
绕流流态，此时应该建立圆柱绕流数值模拟的三文模型。Honji
[3]等人通过对绕流圆柱的震荡现象研究发现圆柱的震荡频率会影响流场中涡的结构，圆柱震荡的频率越大，
圆柱绕流流动的三文特性就越明显，并且漩涡形态越明显的呈现出三文特性。
除此之外，在数值模拟研究圆柱绕流方法上，Lu
[4]
等人采用大涡模拟方法研究了三文圆柱绕流中壁面所受到的阻力和升力，并得到了阻力系数和升力系数曲线。1999
年，Zhang[5]使用混合有限差分的方法进行离散，演示了二文向三文圆柱绕流流场转变
的过程。此后，为了进一步研究这个过程，Rajani[6]
等人指出:当190<Re<260时，圆柱
绕流绕流流场受到一个非稳定因素的影响，这一因素同时影响着绕流的形态和尾流中
涡的结构；正是由于这一因素的存在，二文圆柱绕流模拟所得到的平均阻力系数才与
理论值存在一定的偏差，即使在雷诺数并不是很高的情况下也是这样。
当雷诺数增加到亚临界区时，理论分析和实验研究已经不能满足解决问题的需
要，这时候主要的研究方法是数值模拟，经过长时间的发展，数值模拟方法发展出很
多形式湍流模型，其中使用最多的是在数值模拟方法中采用大涡模拟。Michael
Breuer[7]等人在1998年数值模拟计算了雷诺数Re=3900，湍流模型为 LES 模型的三文
圆柱的绕流流场，在分析流场流动状态的同时他们还进行了数值模拟计算结果与理论
结果的分析比较。2000年，Michael Breuer[8]
又使用同样的湍流模型数值模拟计算了雷诺数等于1.4×105
的三文圆柱绕流场。通过这次研究，Michael Breuer 提出了三文
圆柱绕流数值模拟的两个合理尺度，其一是圆柱体的合理长度，其二是使用该方法的
合理网格尺寸。通过大量的研究已经形成普遍认可的观点：采用 LES 湍流模型要求圆
柱壁面与第一层网格之间的距离应该尽可能小，至少应该小于同等雷诺数下圆柱体表
面层流底层的厚度。这就导致采用大涡模拟方法的网格都非常的细密。正因为如此，