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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:洪木舉
研究生(外文):Hurng, Muh-Jyuu
論文名稱:卡門漩渦群路徑之數值模擬
論文名稱(外文):Numerical Simuiation of Kármán vortex streets
指導教授:蔡宗典蔡宗典引用關係
指導教授(外文):Tsai, Chung-Tien
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:128
中文關鍵詞:卡門漩渦雙圓柱流頻率
外文關鍵詞:rmán vortexcircular cylindersfrequency
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摘 要
流體通過障礙物,在工程中是常見的物理現象,其所釋放的漩渦頻率對障礙物之安全性有重要之影響。本研究利用Cosmos商用軟體中之FlowPlus以數值方法模擬流體通過圓形障礙物時之流況,並對其所產生之漩渦釋放頻率進行分析。
由研究結果得知,對於單圓柱之流場可直接由FlowPlus中之平均速度圖的振盪週期,求得漩渦釋放頻率,但對於雙圓柱流場則因受間距比(G/D)影響,流場中兩圓柱後方尾流區內流體的相互干擾程度不同,流場所顯現之物理現象差異甚大,故求其頻率的方法亦較複雜。本研究嘗試多種方法,最後以選擇在圓柱後方漩渦形成區外之渦流路徑上某一定點作為觀測點,在該觀測點紀錄每次數值解之U、V方向速度,再以快速傅利葉轉換(FFT)求得頻率後,用有限元素繪圖軟體Tecplot 繪製頻譜圖,以供作與實驗值相比對,結果顯示誤差值小於10﹪以內,表示以數值模擬方式,可準確的預測出雙圓柱問題的漩渦釋放頻率。

Abstract
Fluid flows passing obstacles are common in engineering applications. They generate Von Kármán vortex streets for Reynolds number roughly between 40 and 300. The frequencies of the vortex streets are critical importance in the structure’s safety. In the study Cosmos’s FlowPlus is applied to numerically simulate fluid flows passing circular cylinders. We analyzed the frequencies of the vortex streets.
Results show that the frequencies can be read directly from average-flow-velocity diagram, creating automatically by FlowPlus, for a circular cylinder. Some cases for two circular cylinders are also studied. Because the gap ratio(G/D)will affect the flow, wake flows behind the respective cylinders interfere with each other. The flow fields show drastic difference in the numerical results; therefore the frequencies of flows are more difficult to get. We try many ways, we finally choose an observation point far behind cylinders in the vortex path and record the velocities in the streamline and perpendicular directions. Then Fast Fourier Transform (FFT) is applied to find frequencies; the commercial software, Tecplot, is used to plot the spectra. Comparing with experimental data from former researchers, our numerical results show errors within 10 percents. As the result, the direct numerical simulations by FlowPlus can be used to find vortex’s releasing frequencies for two circular cylinders within reasonable accuracies.

目 錄
摘要………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要…………………………………………………………………Ⅱ
誌謝………………………………………………………………………Ⅲ
目錄………………………………………………………………………Ⅳ
圖目錄……………………………………………………………………Ⅶ
表目錄……………………………………………………………………Ⅸ
第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1 前言…………………………………………………………………1
1.2 文獻回顧……………………………………………………………3
第二章 理論基礎說明……………………………………………………6
2.1 邊界層分離與漩渦形成…………………………………………… 6
2.2 分離點附近流況…………………………………………………… 8
2.3 Blasius之邊界層厚度……………………………………………13
2.4 黏滯性漩渦核心之預測模式………………………………………15
2.5 漩渦核心半徑與邊界層厚度之關係………………………………17
2.6 尾流區二次漩渦之理論……………………………………………19
第三章控制方程式及邊界條件…………………………………………20
3.1 流場模擬控制條件之設定…………………………………………20
3.2 控制方程式…………………………………………………………21
3.2.1 連續方程式………………………………………………………21
3.2.2 動量方程式………………………………………………………21
3.3 初始條件及邊界條件……………………………………………21
3.3.1 初始條件…………………………………………………………22
3.3.2 邊界條件…………………………………………………………22
第四章 數值分析理論及方法…………………………………………24
4.1 Cosmos/FlowPlus商用軟體的數值分析方程式…………………24
4.1.1 連續方程式………………………………………………………24
4.1.2 動量方程式………………………………………………………25
4.2 有限元素積分方程式………………………………………………27
4.2.1 流線方向上風法…………………………………………………27
4.2.2 暫態方向(時間項)的離散公式………………………………27
4.2.3 求解方法(隔區求解器)………………………………………27
4.3 FlowPlus的操作流程……………………………………………33
4.4 解的收斂渡………………………………………………………35
4.4.1 收斂度……………………………………………………………35
4.4.2 監控用收斂狀態圖………………………………………………35
4.5 暫態分析……………………………………………………………36
4.5.1 最大容許內部疊代次數…………………………………………37
4.5.2 和暫態相關之定義………………………………………………37
4.6 FlowPlus之後續處理………………………………………………38
第五章 分析方法………………………………………………………39
5.1 單圓柱分析流程……………………………………………………39
5.1.1 分析範圍(分析參數之選定)…………………………………39
5.1.2 模擬計算區間大小之決定………………………………………39
5.1.3 網格尺寸的決定…………………………………………………42
5.1.4 程式中輸入參數之決定…………………………………………43
5.1.5 起始條件即邊界條件之決定……………………………………43
5.1.6 暫態分析中解的前進時間間隔Δt之決定.……………………45
5.1.7 FlowPlus計算之後續處理決定…………………………………47
5.1.8 總共所需之計算次數的決定……………………………………47
5.1.9 分析頻率的方法…………………………………………………47
5.1.10 分析結果與比較………………………………………………49
5.2 雙圓柱的分析………………………………………………………49
5.2.1 雙圓柱分析模擬區間的決定……………………………………49
5.2.2 雙圓柱的頻率分析………………………………………………52
5.2.3 利用快速傅利葉轉換(FFT)分析雙圓柱頻率之決定…………53
第六章 結果與討論………………………………………………………55
6.1 單圓柱 ………………………………………………………………55
6.1.1 以雷諾數Re=500為例………………………………………………55
6.1.2 數值分析單圓柱各雷諾數(Re)之頻率結果69
6.1.3 模擬結果與實驗之比較(以Re=105為例)………………………71
6.2 雙圓柱…………………………………………………………………73
6.2.1 雙圓柱模擬圓柱之決定……………………………………………73
6.2.2 流場模擬分析(以間距比G/D=0.19為例作說明)………………74
6.2.3 頻率分析.…………………………………………………………87
6.3 結論……………………………………………………………………115
參考文獻…………………………………………………………………120
符號索引…………………………………………………………………125

參考文獻
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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