非恒定流条件下高桩码头桩柱绕流数值模拟研究

摘要

高桩直立式码头以前多用于水位变化不大的海岸港和河口港，由于直立式码头装卸效率高、其应用范围正在逐步扩大，在水位差大且洪水期不长的内河库区也采用了高桩直立式码头。桩柱的存在改变了水流结构，当流体绕圆柱流动时，柱体两侧的流速明显增大，柱体两侧会产生两列交替脱落的漩涡。当流量变化的时候，圆形桩柱绕流情况变得复杂，柱体周围湍流强度增大，压力脉动和升阻力系数脉动增强，这些脉动导致柱体振动和材料疲劳，对柱体伤害增大，因此对于非恒定流条件下圆柱绕流数值模拟不仅具有重要的学术意义，而对高桩码头的工程参数确定、结构优化和造价等方面也具有实际运用价值。本文研究成果如下:
　　(1)单圆柱绕流，来流速度的脉动强度对柱体阻力系数有一定的影响，阻力系数的波动范围随着脉动强度的增大而增大。待流场稳定之后，柱体上下两侧交替脱涡，形成一列排列整齐的涡街。非恒定流条件下柱体所受阻力变化范围比恒定流条件下范围大。
　　(2)并列双圆柱和三圆柱绕流，在恒定流和非恒流条件下对应工况柱体所受的升阻力系数均值大致相等，但是非恒流条件下阻力系数振动幅度大，变化范围广。在间距较小时，并列双圆柱和三圆柱的升阻力系数均比单圆柱大，随着间距比的增大，并列双圆柱和三圆柱的升阻力系数逐渐减小，并趋近于单圆柱，因此实际工程中并列双圆柱和三圆柱间距比宜大于4。
　　(3)串列双圆柱和三圆柱绕流，在间距比为2时，恒定流条件下串列双圆柱和三圆柱绕流的升力系数为0，柱体尾流区无旋涡脱落，非恒定流条件下涡脱落现象较明显。随后串列双圆柱的阻力系数随着间距的增加而增大，升力系数随着间距的增加而减小。串列三圆柱绕流情况较双圆柱复杂，升阻力系数无特定规律。在间距比小于2和大于4时，串列双圆柱和三圆柱受力较小，实际工程可参考此间距比设置。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状及发展状态

1．2．1 国外研究现状及发展状态

1．2．2 国内研究现状及发展状态

1．3 主要研究内容及研究思路

第二章 桩柱绕流数值模拟基本理论

2．1 计算流体动力学概论及特点

2．1．1 计算流体动力学概论

2．1．2 计算流体动力学特点

2．2 流体动力学控制方程

2．2．1 连续性方程

2．2．2 N-S方程

2．2．3 能量守恒方程

2．3 湍流数值模拟方法简介

2．3．1 直接数值模拟法(DNS)

2．3．2 大涡模拟法(LES)

2．3．3 雷诺时均法(RANS)

2．4 数值求解方法

2．4．1 有限差分法

2．4．2 有限元法

2．4．3 有限体积法

2．5 网格生成

2．5．1 结构化网格

2．5．2 非结构化网格

2．5．3 混合网格

2．6 本章小结

第三章 恒定流条件下圆柱绕流数值模拟

3．1 计算软件简介

3．1．1 前处理软件(GAMBIT)

3．1．2 求解器(FLUENT)

3．1．3 后处理软件(Tecplot)

3．2 基本参数

3．3 模型的建立及网格划分

3．3．1 单圆柱数学模型建立及网格划分

3．3．2 并列双圆柱数学模型建立及网格划分

3．3．3 串列双圆柱数学模型建立及网格划分

3．3．4 并列三圆柱数学模型建立及网格划分

3．3．5 串列三圆柱数学模型建立及网格划分

3．4 边界条件和初始条件设置

3．5 单圆柱绕流数值模拟验证

3．5．1 网格疏密对圆柱绕流的影响

3．5．2 结果分析比较

3．6 恒定流条件下多圆柱升阻力系数分析

3．6．1 并列双圆柱升阻力系数分析

3．6．2 串列双圆柱升阻力系数分析

3．6．3 并列三圆柱升阻力系数分析

3．6．4 串列三圆柱升阻力系数分析

3．7 本章小结

第四章 非恒定流条件下圆柱绕流数值模拟

4．1 非恒定流条件下单圆柱二维数值模拟

4．1．1 瞬时流场分析

4．1．2 升阻力系数分析

4．2 非恒定流条件下并列双圆柱二维数值模拟

4．2．1 瞬时流场分析

4．2．2 升阻力系数分析

4．3 非恒定流条件下串列双圆柱二维数值模拟

4．3．1 瞬时流场分析

4．3．2 升阻力系数分析

4．4 非恒定流条件下并列三圆柱二维数值模拟

4．4．1 瞬时流场分析

4．4．2 升阻力系数分析

4．5 非恒定流条件下串列三圆柱二维数值模拟

4．5．1 瞬时流场分析

4．5．1 阻力系数分析

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果