115、为什么我的圆柱扰流模拟不会出现卡门涡街？？

卡门涡街是流体力学中非常经典的现象，它常常出现在流体绕过圆柱这类钝体的情形中，形成一串交错排列的漩涡，非常漂亮，也非常具有工程意义。

这本来应该是一个非常简单的问题，但是我在使用Fluent进行圆柱绕流数值模拟时，会发现：“怎么模拟出来的流场一点涡街都没有？”，无论怎样更改设置总是没有卡门涡街脱落

最可能的原因就是湍流模型选择错误

Fluent默认的湍流模型是k-ω SST，它属于RANS模型（包括k-ε、k-ω 等）是，雷诺平均方法，核心思想是对流场进行时间平均或统计平均。无法解析出瞬时的、非定常的涡旋结构，只能表现出涡旋脱落现象的平均影响

因此如果选择了RANS湍流模型（k-ε、k-ω），本质上无法“真实地模拟”卡门涡街的涡旋脱落过程

对于Re < 1000时，考虑直接求解N-S方程（DNS）或采用LES；

简单层面可以用 Laminar 模型，尤其是雷诺数较低的情况；

卡门涡街的产生与雷诺数（Re）密切相关。雷诺数的定义是：

其中：

U 是来流速度，

D是圆柱直径，

ρ是流体密度，

μ是流体动力黏度。

• 在Re ≈ 47以下，流动是稳定的，对称附着，不会产生涡街；

  
  

• 在47 < Re < 10^5之间，流动不稳定，会出现明显的卡门涡街；

  
  

• 再高了之后，虽然仍有脱落现象，但涡街的结构变得不规则，甚至紊乱。

当空气流速为1m/s时，Re=100

当空气流速为10m/s时，Re=1000

当空气流速为100m/s时，Re=10000

数值模拟里，网格相当于给流场“拍照”的像素。如果网格太粗，尤其是在圆柱附近和尾流区域，模拟结果会看不出小尺度的漩涡结构。

建议：

• 尾流区加密网格；

• 使用结构网格或边界层网格更能捕捉细节；

• 检查y+值是否合理，是否加了边界层层数。

比如下面的网格就比较合适，基本上满足了上述的三点建议

卡门涡街是一个周期性、非稳态现象，也就是说，它随着时间不断变化。

如果你选择了“Steady”稳态求解，软件默认会找一个稳定的、不会变化的解，涡街当然出不来。

正确做法：

• 选择“Transient”非稳态计算；

• 设置合理的时间步长（例如 Δt = 0.001~0.01s）；

• 模拟足够长的时间，观察涡街发育过程。

流场受到边界影响非常大。典型问题包括：

• 入口距离太近：流场还没发展就撞到圆柱；

• 出口距离太短：涡街被“夹住”无法展开；

• 侧壁距离太近：边界影响主流发展。

建议几何尺寸（相对于圆柱直径D）：

• 入口：5D 以上；

•  出口：15D 以上；

• 上下边界距圆柱中心：10D 以上。

CFD计算中如果一切太“完美”，流场可能就稳定地贴着圆柱走了，卡门涡街也不形成。

在实际中，大气中都有各种微小扰动，而CFD默认可能没有。

人为加扰动，例如：

• 给入口速度一个轻微的脉动；

• 给圆柱前面加个小扰动源；

• 初始流场设置为非零流速分布。

实际测试了一下，即使初始化设置速度为0，只要上面的设置没问题，这里也会出现涡流

总结：让卡门涡街“显形”，你可以这样做

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