带有自由液面和端部效应的钝体绕流数值模拟

摘要

在实际工程中出现的立管、平台桩腿和大桥桥墩等简化成的单圆柱已经成为现在海洋工程结构中最常见的基本单元之一,国内外众多学者对单相无限长圆柱绕流展开了大量的研究工作.但在较低雷诺数条件下,有限长绕流、带有自由液面的绕流以及端部效应和自由液面相互作用下绕流的研究相对较少,此时流场的复杂性也对进行试验研究提出了新的更大的挑战.因此,采用合适的湍流模型进行数值模拟显得尤其重要,本文通过三维数值模拟,对上述三种情况下的绕流问题进行了研究对比分析.本文在经典圆柱绕流的基础上,首先对单相无限长绕流进行了验证计算,然后对雷诺数Re=200、500及1000条件下的有限长绕流、带有自由液面的绕流以及自由液面和端部效应相互作用下的圆柱绕流进行数值模拟,根据对绕流升阻力系数、流场速度分布、涡脱落频率、液面高度变化、三维涡结构的脱落形态已经瞬态流场云图等水动力特性的分析,结果表明端部效应和自由液面单独存在时都对尾流场产生了很大的影响,自由端极大地改变了圆柱的受力情况、流向时均速度在展向的分布同时抑制了漩涡的脱落频率;而自由液面仅对自由液面附近的流向时均速度的影响很大,并在自由液面附近产生了大量无规则的、小尺度涡,前驻点附近液面的最大高度、柱体前后液面差以及自由液面影响的最大水深与雷诺数尤其是傅汝德数有着密切的关系;自由液面和端部效应相互作用下的流场融合两者单独作用下的特点,分析某一具体的流动特征时两者的作用又各有侧重,两者相互作用下自由液面对圆柱受力情况的影响占主导地位,端部效应对流向时均速度的影响更大,柱体后的涡管图结合了两者单独作用下的特征,端部效应对两者相会作用下柱体前驻点附近的最大液面高度影响不大,但会使柱体后液面下降的最低高度有所上升,而且上升的幅度随着雷诺数和傅汝德数的增加而增大,两者相互作用下的绕流现象被限制在自由液面和自由端面之间相对较小的区域之中.