卡门涡街在SOLIDWORKS Flow Simulation中的实现

卡门涡街，即卡门涡、卡门涡流，是一个空气动力学术语，指流体流动区域中放置的阻流体，在特定条件下会出现不稳定的边界层分离，阻流体下游的两侧，会产生两道非对称排列的旋涡，其中一侧的旋涡循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如街道道两边的街灯一般，故名涡街。卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中经常可以遇到，如水流过桥墩，风吹过桥梁、烟囱等都是生活中的卡门涡街现象。

卡门涡街

该现象由美国空气动力学家西奥多·冯·卡门最先从理论上阐明而得名。河水流过障碍物时，经常可见卡门涡街，冯·卡门曾在意大利北部博洛尼亚的一所教堂里，目睹一幅圣克里斯多福背负耶稣化身的儿童，赤足渡河的油画，画家画出圣克里斯多福的脚跟在河水中造成两排交错的旋涡，这是冯卡门关于卡门涡街论述的最早的记录。

西奥多·冯·卡

卡门涡街的形成条件：对于在流体中的圆柱体雷诺数（475）。
●  当雷诺数=30时，圆柱体后的液体呈平陆状态；
●  当雷诺数=40时，圆柱体后的液体开始出现正弦式波动；
●  当雷诺数=47时，圆柱体后的液体，前端仍然呈正弦状，后端则逐渐脱离正弦波动；
●  当雷诺数>47时，圆柱体后的液体，出现卡门涡街；
●  当雷诺数在50至85之间，圆柱体后的液体压力，呈等振幅波动；
●  当雷诺数=185时，圆柱体后的液体压力，呈非均匀振幅波动；
其对应的卡门涡街示意图如下图所示：

●  Re＜5，蠕动流（无分离）
●  5-15，尾迹上存在一对涡，
●  40，层流涡街
●  150×105，层流边界层直到分离点，湍流尾迹
●  3×105×108，边界层转捩成湍流
●  Re>3.5×108，湍流涡街

流体流经圆柱形障碍物后的流形与流入流体的雷诺数相关，如上图所示，随着入口雷诺数的增大，绕流的形态会发生比较大的改变，本案例借助Flow Simulation平台作为工具，研究来流雷诺数为100，由上图可知，该绕流形式应该为层流涡街。

Step 1：建立圆柱
通过SOLIDWORKS的3D画图模块建立一个XY平面上直径为10mm的圆柱，拉伸长度为10mm，并保存几何文件。

Step 2：激活SOLIDWORKS Flow Simulation插件
点击SOLIDWORKS插件栏，并激活SOLIDWORKS Flow Simulation，如下图所示

Step3：创建瞬态外部流场的仿真向导
通过Flow Simulation的向导创建瞬态的外部流场模拟，如下图所示。

外部向导选择如下：

Step 4：设定外部流域的范围，简化为2D外部瞬态仿真
在计算域中右键编辑定义，并选择2D模拟以降低仿真的计算量，并定义外部流域的尺寸，如下图所示：

Step 5：创建目标
为了帮助检测收敛的过程，我们在仿真中通常需要建立一些目标，目标的作用除了监测收敛的过程以外，还可以监测用户感兴趣的物理量在每个迭代步的量值，在本案例中，我们可以建立一个全局X方向的力的目标，如下图所示：

Step 6：网格划分
本案例中使用自动网格划分功能，使用5级的网格精度进行网格划分，如下图所示

Step 7：计算控制选项的设置
本案例的特性可知，湍流漩涡是以震荡的方式脱离圆柱体的，稳态解并不存在，因此需要使用瞬态模拟，为了增强瞬态模拟的网格适应性，有必要根据其涡量的分布进行自动网格细化。于输入数据处右键，选择“计算控制选项”，选择“细化”面板，全局域中选择“级别=2”，近似最大网格为750000，如下图所示

同时，为了控制结果的保存以及后续瞬态结果输出的延续性，需要对保存的中间结果进行控制，选择“保存”面板，每隔0.5s输出一次结果。

Step 8：求解计算
选择Re 100项目，右键“运行”，如下图所示，等待求解计算完成。

Step 9：结果后处理
完成模型求解后，可见在仿真分析树的“结果”处，后缀为1.fld，80.000s，这就意味着，计算已经完成了，一共求解了80s，目前所读取的是最后80s的结果。当然，Flow Simulation可以允许用户读入你所保存的过程文件中的任何一个时间的结果，方法如下：
在“结果”处右键，选择“加载时间矩”，由于我们在计算控制选项中设定每隔0.5s保存一次结果，因此，我们可以看到从0s-80s时间段内，每隔0.5s都有一个结果输出。需要特别注意的是，输出时间间隔越短，生成的结果文件就越多，所占据的硬盘空间就越大，在较大的模型的瞬态分析中，这是一个不可忽视的问题。

此处保持默认，读入第80s的结果。
在“结果”处的“切面图”中，我们创建一个xy平面的切面图，选择等高线作为显示的方式，一般我们可以查看“涡量”的结果来判断绕流的问题，如下图所示

得到结果如下图所示：

同时，为了观察从0-80s的流动过程，我们可以通过动画的方式，还原其流动过程。在结果-动画处，右键，选择“插入”，选择“向导”如下图所示

在向导中，键入动画时间10s，选择下一步

在指定几何模型是否参与动画中，保持默认，直接点“下一步”

在动画类型中，选择“方案”，点击下一步

在结果中，我们选择均匀分布，开始时间为0，结束时间为80s，点击完成

完成后，生成了如下的设置

我们在刚刚生成的切面图中，创建起始和结束的控制点，如下图所示：

最后，我们点击播放图标即可

当然，如果你想要输出该动画成视频文件，只需要点击下方的记录图标即可

等待动画播放完后，该视频文件会自动输出到用户的分析文件夹中，格式为avi。最终我们可以生成如下的动画：

最后我们可以对比仿真的结果与理论的涡动形态图：

Re=100