三维柱体绕流自由端效应的数值研究

论文摘要

在海洋工程和其他流体环境的工程中,圆柱形结构应用广泛,例如海洋平台的支撑柱、海洋钻井平台的立柱等。这些柱体结构浸没在流体环境中,受到流体的作用力会在柱体的后方形成周期性脱落的旋涡,增大柱体所受到的阻力,诱发涡激振动,不利于工程机械的工作状态,甚至产生结构的疲劳破坏等危害。目前对此类柱体绕流问题的研究已经形成了系统的课题和许多分支,而有限长圆柱绕流就是其中之一。有限长圆柱由于自由端效应的存在使其与一般圆柱绕流的受力状况大大不同,而其在工程实践中却同样广泛存在。本文在Re=2×104的条件下对有限长圆柱与有限长方柱绕流进行数值模拟,目的在于探索柱体形状改变时自由端效应的变化,并在有限长柱体自由端接近壁面的工况下进一步进行数值模拟,以得出一些结论来指导工程实践。为了兼顾效率与准确性,本文的数值模拟采用合适的雷诺时均湍流模型。首先,对二维及三维圆柱进行数值模拟验证,验证结果中采用SSTκ-ω湍流模型能比较准确的得出圆柱受力结果,又采用前人针对标准κ-ε湍流模型缺陷的修正模型对三维方柱进行数值验证,在验证结果准确的基础上对有限长圆柱及方柱进行数值计算。通过数值模拟的方法,本文探索了自由端效应对圆柱及方柱绕流的一些影响,主要包括阻力系数、升力系数、斯托哈尔数、尾流回流区长度及尾流场旋涡脱落模式等,并将部分结果与已有实验进行比较。结果发现自由端的下洗流动对柱体两侧旋涡有较大的抑制作用,这使得阻力系数、升力系数和斯托哈尔数等系数均有较大的减小,而回流区长度则因为受到下洗流动的压迫而变长,旋涡脱落的模式也有一定的改变。又探索了自由端上方存在壁面情况下对这些系数的影响,通过调整自由端与壁面的距离模拟不同的工况,结果发现在自由端与壁面间隙距离为3D的工况下,有限长圆柱的阻力系数与无壁面工况仍有区别;而间隙为1D的工况与无壁面工况有全面的差别,而且对两种柱体的影响趋势也有根本的不同。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 高健停

导师: 戴绍仕

关键词: 有限长柱体,自由端,顶部壁面,水动力系数,雷诺时均

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: P75

DOI: 10.27060/d.cnki.ghbcu.2019.000040

总页数: 96

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