三维柱体绕流自由端效应的数值研究

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SSTk-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k-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。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景与意义

1．2有限长柱体绕流的自由端效应研究进展综述

1．2．1具有自由端效应的有限长圆柱绕流

1．2．2有限长圆柱绕流的实验研究进展

1．2．3有限长圆柱绕流的数值模拟研究进展

1．3本文主要研究内容

第2章湍流的数值计算基本原理

2．1基本控制方程

2．2湍流数值模拟

2．3本章小结

第3章数值模拟方法及验证

3．1．1 OpenFOAM开源代码

3．1．2 OpenFOAM基本操作流程

3．1．3数值离散格式和求解方法

3．1．4修正的κ-ε模型在OpenFOAM中的实现

3．2数值计算方法有效性验证

3．2．1几何模型及流场网格划分

3．2．2时间步长的选取

3．2．3二维圆柱绕流的数值验证

3．2．4三维圆柱体绕流的数值验证

3．2．5三维方柱体绕流的数值验证

3．3本章小结

第4章自由端对有限长柱体绕流的影响

4．1带自由端的有限长圆柱绕流模型

4．2有限长圆柱的计算结果分析

4．2．1自由端附近的流动现象

4．2．2周向压力系数特性研究

4．2．3阻力系数特性研究

4．2．4升力系数特性研究

4．2．5有限长圆柱绕流的斯托哈尔数

4．2．6回流区长度

4．2．7尾流场的旋涡脱落模式及压力分布

4．3有限长方柱的计算结果分析

4．3．1阻、升力系数特性研究

4．3．2有限长方柱绕流的斯托哈尔数

4．3．3回流区长度

4．3．4尾流场的旋涡脱落模式及压力分布

4．4自由端对圆柱和方柱的影响区别

4．5本章小结

第5章自由端的顶部壁面影响

5．1几何模型的建立

5．2顶壁面对有限长圆柱的影响

5．2．1压力系数的变化

5．2．2阻力系数的变化

5．2．3升力系数的变化

5．2．4斯托哈尔数分析

5．2．5回流区长度

5．2．6尾流场的旋涡脱落模式

5．3顶壁面对有限长方柱的影响

5．3．1阻力系数的变化

5．3．2升力系数的变化

5．3．3斯托哈尔数变化

5．3．4回流区长度

5．3．5尾流场的旋涡脱落模式

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢