[论文解读] An LES study of turbulent flow over in-line tube-banks and comparison with experimental measurements

C. Jin, I. Potts+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2016

Fluid Dynamics and Vibration Analysis参考文献 24被引用 4

一句话总结

本研究采用大涡模拟（LES）结合动态Smagorinsky亚格子尺度模型与壁面层模型，对雷诺数为15,270的顺列管束湍流流动进行模拟。模拟结果准确再现了实验测得的表面压力分布、阻力与升力系数以及涡激振荡频率，显示第二排管束受到的阻力最小，且由于下游涡流混合，尾迹结构复杂。

ABSTRACT

Turbulent flow across an in-line array of tube-banks with transverse and longitudinal pitch PT /D = 2.67, and PL /D = 2.31, has been simulated successfully by Large Eddy Simulation (LES) based on the dynamic Smagorinsky subgrid scale model (SGS), in which a wall-layer model is used to reduce the computational cost. The flow structures across the tube-banks were examined through the normalized Q criterion. The surface pressure characteristics from the middle cylinder within each column of cylinders are found to agree well with the existing experimental data, as did also the values of drag and lift coefficients. These results indicate that cylinders from the second column experience the minimum drag force and maximum lift force fluctuation. Spectral analyses were performed for velocity signals sampled behind each middle cylinder axis, which show that the dominant vortex shedding frequency does not vary across the tube-banks. On this basis, we also examined the shear layer instability. Finally, we report auto-correlation functions for streamwise and cross velocity fluctuations as a function of the spanwise length.

研究动机与目标

• 采用大涡模拟（LES）结合动态亚格子尺度建模，精确模拟顺列管束的湍流流动。
• 将LES预测结果与实验数据对比，验证表面压力、阻力与升力系数的准确性。
• 研究不同管束排数的涡激振荡频率及剪切层不稳定性特征。
• 分析速度脉动在展向的关联性，并评估涡流混合引起的尾迹复杂性。
• 评估壁面层模型在降低计算成本的同时保持模拟精度的性能。

提出的方法

• 采用动态Smagorinsky亚格子尺度（SGS）模型的LES方法，以解析大尺度湍流运动并建模小尺度湍流。
• 采用壁面层模型，通过避免对管束表面附近黏性子层的精细解析，降低计算成本。
• 在流向和展向方向采用周期性边界条件，以模拟代表性管束单元。
• 利用归一化的Q准则可视化流动结构，识别相干涡旋与湍流涡旋。
• 在每排管束中间管的下游位置采样速度信号，进行谱分析以提取主导涡激振荡频率。
• 计算流向与横向速度脉动的自相关函数，作为展向间距的函数，以评估湍流涡旋的相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与实验数据相比，采用动态SGS建模的LES在预测顺列管束表面压力特性方面有多准确？
• RQ2 不同管束排数的阻力与升力系数有何变化？哪一排管束的阻力最小，升力脉动最大？
• RQ3 主导涡激振荡频率在管束全范围内是否保持恒定？与实验值和理论值相比如何？
• RQ4 剪切层不稳定性在第一排与下游管束中的表现有何差异？是否与孤立圆柱的通用值一致？
• RQ5 速度脉动在展向空间的相干性如何？上游与下游管束之间有何差异？

主要发现

• LES模拟在每排管束中间管的表面压力分布上与实验数据高度一致，微小偏差归因于入口条件建模的不完善。
• 第二排管束的阻力系数最小，升力系数脉动最大，与实验观测结果一致。
• LES中涡激振荡的Stroh落数为0.153，与实验值0.152（Shim, 1985）及理论通用值0.16（Roshko, 1954）高度吻合。
• 主导涡激振荡频率在所有管束排中保持恒定，表明整个管束中涡旋同步脱落。
• 剪切层不稳定性仅在第一排管束中观察到，且与孤立圆柱的通用值不一致，支持Brun等（2004）的近期实验发现。
• 自相关函数分析表明，下游管束后方的湍流涡旋具有比第一排管束更复杂的三维空间结构，这是由于相邻管束间涡旋混合所致。