Numerical Simulation of the Incompressible Laminar Flow Over a Square Cylinder

چکیده

Simulation of fluid flow over a square cylinder can be performed in order to understand the physics of the flow over bluff bodies. In the current study, incompressible laminar flow over a confined square cylinder, with variable blockage factor has been simulated numerically, using computational fluid dynamics (CFD). The focus has been on vortex-induced vibration (VIV) of the cylinder. Vorticity-stream function formulation of the governing equation has been used and the equations have been discretized using finite difference method (FDM). Different flow analyses have been conducted based on various Reynolds numbers. The results show that, as the blockage factor increases, the vortex wakes detach from the cylinder at higher Reynolds numbers and therefore, the channel walls have a suppressing effect on vortex-induced vibration. In order to ensure the validity of the developed code, incompressible Couette flow has been modeled using the code, and the results have been compared against the analytical solutions with good agreement.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

شبیه سازی عددی جریان آرام تراکم ناپذیر بر روی یک سیلندر مربعی

چکیده [English]

در این مقاله، به کمک شبیه سازی جریان سیال روی یک سیلندر مربعی به مطالعه فیزیک جریان اطراف اجسام ضخیم پرداخته شده است. در تحقیق حاضر، جریان آرام تراکم ناپذیر روی یک سیلندر مربعی شکل محصور در یک کانال، با ضرایب بلوکه (blockage) مختلف به صورت عددی شبیه سازی گردیده است. تمرکز اصلی بر روی گردابه های تشکیل شده پشت سیلندر بوده است. معادلات ناویراستوکس در فرمولاسیون تابع جریان- ورتیسیته به کمک روش تفاضل محدود گسسته سازی گردیده‌اند. تحلیل جریان مذکور در اعداد رینولدز مختلف انجام شده است. نتایج به دست آمده نشان دهنده آنست که با افزایش ضریب بلوکه، جریان ویک در رینولدزهای بالاتری از سیلندر جدا می گردد. بنابراین دیواره های کانال تاثیرات بازدارندگی یا کاهش­دهندگی روی ارتعاشات ناشی از ورتکس ها دارد. برای معتبرسازی کد نوشته شده، جریان کوئت مدل سازی شده است و نتایج به دست آمده با حل موجود تحلیلی مقایسه گردیده اند. این مقایسه ها نشان دهنده توافق خوب نتایج عددی حاصله با حل تحلیلی می­باشد.

کلیدواژه‌ها [English]

  • سیلندر مربعی
  • هیدرودینامیک و آئرودینامیک جسم چاق
  • ورتکس های ناشی از ارتعاشات
  • روش تفاضل محدود
  • تابع جریان-ورتیسیته
[1]         Andre S. Chan & AntonyJameson, 2007. Suppression of vortex-induced forces on a two-dimensional circular cylinder by a short and thin splitter plate interference, Report ACL 2007-5, Aerospace Computing Laboratory,StanfordUniversity.

[2]         M. Breuer, J. Bernsdorf, T. Zeiser, F. Durst, 2000. Accurate computations of the laminar flow past a square cylinder based on two different methods: lattice-Boltzmann and finite-volume, Int. J. Heat Fluid Flow.

[3]         Okajima, A., 1982. Strouhal numbers of rectangular cylinders, J. Fluid Mech.

[4]         Klekar, K. M., Patankar, S. V., 1992. Numerical prediction of vortex shedding behind square cylinders. Int. J. Numer. Meth. Fluids.

[5]         Davis, R. W., Moore, E. F., Purtell, L. P., 1984. A numerical-experimental study of confined flow around rectangular cylinders, Phys. of Fluids. 

[6]         Mukhopadhyay, A., Biswas, G., Sundararajan, T., 1992. Numerical investigation of confined wakes behind a square cylinder in a channel, Int. J. Numer. Meth. Fluids.

John D. Anderson, Jr, 1995. Computational Fluid Dynamics, The Basics with Applications, McGraw-Hill.