2008年圆柱湍流VIV模拟：数值方法与雷诺数效应

本文主要探讨了圆柱绕流涡致振动在工程中的实际问题，通过应用平面湍流k-ε模型和重整化群k-ε模型进行数值模拟。这些模型是解决复杂流体力学问题的重要工具，特别是在处理湍流流动时，它们能够捕捉到涡旋和振荡行为的关键特征。作者利用分块耦合方法和任意拉格朗日欧拉法（ALE）技术，构建了一个非交错网格系统，该系统解决了连续性方程，包括压力泊松方程的求解，这是数值模拟中的关键步骤，确保了流场的精确描述。 研究的焦点在于圆柱在流体中的动态响应，特别是当其受到涡流影响时的振动特性。计算了湍动能、湍流耗散率和湍流黏性系数等参数，这些参数对于理解流体动力学行为和评估振动性能至关重要。结果显示，当雷诺数在5000至2×10^5范围内，通过数值模拟得到的阻力系数与实验数据高度吻合，这证明了模型的有效性和计算的准确性。 值得注意的是，作者发现涡致振动情况下，相比于固定圆柱涡脱落，湍流耗散率显著降低。这表明涡致振动可能会对流场的热力学特性产生影响，降低了能量的消耗。同时，他们还观察到湍流黏性系数与雷诺数呈现对数律的增长，这反映了湍流强度与流速和几何尺寸之间的复杂关系。 关键词包括湍流、涡致振动、任意拉格朗日欧拉法、圆柱绕流以及单自由度振动，这些都是研究的核心概念。这篇论文不仅提供了数值模拟技术在解决实际工程问题中的应用实例，也揭示了涡致振动对流体动力学行为的具体影响，对于工程设计、流体机械和振动控制等领域具有重要的理论参考价值。