貳、三維方柱於均勻流場中渦流溢放實驗
第五節 數值計算模擬
壹、FLUENT 驗證
本團隊在實際風洞實驗之外亦規劃使用 FLUENT 套裝軟體進行數值模擬，目的是為 了增加實驗的可靠性，而本計劃的流場為三維的流場，本研究團隊先對二維流場進 行數值模擬，以期建立數值模擬的能力。首先驗證 FLUENT 軟體準確性，本研究團隊 由穩態的模擬開始，二維圓柱流場經過相當長時間的驗證有許多相關的數值模擬，
吾人以雷諾數為 40、80 及 100 的二維圓柱進行模擬，圖 3-60 為二維圓柱的結構與 非結構性網格，結構性的網格數為 361x181，非結構性網格有 46201 節點(node) 91962 元素，圓柱直徑為 1mm，流體的密度為ρ=1.1614 kg/m^3，參考速度 U_ref=0.3178 m/s，參考壓力 P_ref=100000 N/m^2，經由計算其 Cp 為圖 3-61，圖上的參考解為 Fomberg[25]在 1980 在期刊上發表的結果，無論是結構與非結構的網格都相當接近 Fomberg 的結果。
X
第三章實驗結果與討論
Ye 與 Shyy 等人[26]在 1999 年所發表的結果，圖 3-62 是該篇參考資料上阻力係數 (Cd)與升力係數（Cl）在非穩態上的模擬結果，其史特數（St）為 0.15，阻力係數 (Cd)為 1.37。圖 3-63 為本研究團隊用 FLUENT 軟體所得到的結果，平均阻力係數為 1.33，平均升力係數為-3.3076E-004 接近於 0，將其溢放頻率經由 FFT 計算後為 192.87，所得到的 St=0.1517 接近文獻所得的數值。圖 3-64 為雷諾數 100 的 FLUENT 結果，平均阻力係數為 1.261，渦流溢放頻率為 258.79，計算後 St=0.163，與理論 上 St=0.212-4.5/Re (50<Re<150)的結果直接近，由以上結果證明 FLUENT 可用於穩 態與非穩態的流場模擬。
圖 3-62 Re=80 在非穩態下文獻 Cd 與 Cl的結果[26]
圖 3-63 Re=80 二維圓柱非穩態下 FLUENT 結構網格結果
0 500 1000 1500
-0.5
第三章實驗結果與討論
力最大速度最小，與實際流場狀況相似。Re=1000 的非穩態的速度及壓力分佈結果如 圖 3-66 及圖 3-67 所示，可以觀察到渦流溢放的過程。
（a）速度 (b)壓力 圖 3-65 Re=1000 穩態數值模擬速度及壓力分佈
t=1/T t=2/T
t=3/T t=4/T
圖 3-66 Re=1000 非穩態數值模擬結果速度分佈
t=1/T t=2/T
t=3/T t=4/T
圖 3-67 Re=1000 非穩態數值模擬結果壓力分佈
第三章實驗結果與討論
貳、二維柱體流場模擬
吾人模擬柱體在風洞吹試時狀況，模擬的狀況為均勻流場狀況下，整個邊界 為長 26m，高為 2.6m。柱體的特徵寬度為 0.15m，高為 90m，柱體安置於流場入 口 4m 處，採用結構性網格，網格如圖 3-68 所示。入口風速為 15m/s，出口的 壓力為大氣壓力，邊界為不滑移條件，紊流模式為 K-εmodel，運算模式為 SIMPLE 運算方法，收斂條件為連續性、U、V、K、ε收斂至 10-5。
圖 3-68 柱體於入口 4m 處二維網格圖
計算後其壓力場分佈如圖 3-69 所示，由柱體頂部可以看出其分離泡，後方有一個 較大的尾流區，而且靠近頂部。圖 3-70 為流場流線結果，可以看出柱體前方有各渦 流，後方有有個渦流，頂部也有渦流分佈。
圖 3-69 柱體於入口 4m 處時流場壓力分佈圖
圖 3-70 柱體於入口 4m 處時流場流線分佈圖
第三章實驗結果與討論
吾人亦模擬風洞模型裝置於第二回轉盤，所以在網格構建時，吾人將模型置 於入口 20m 處，柱體模型特徵長度 0.15m，高度 0.9m，網格結構為結構網格，
在柱體附近採用網格加密以求精確的模擬出柱體附近的流場，如圖 3-71 所示。
紊流模式為 K-εmodel，運算模式為 SIMPLE 運算方法，入口風速為 15m/s，出 口的壓力為大氣壓力，收斂條件為連續性、U、V、K、ε收斂至 10-5。
圖 3-71 柱體於入口 20m 處二維網格圖
其流線計算後結果如圖 3-72 所示，頂部流場的結果與入口 4m 時不同，下游 的渦旋離柱體較遠，結構較大。
圖 3-72 柱體於入口 20m 處時流場流線分佈圖