抑制板对湍流中圆柱绕流抑制机理的数值研究

摘要

圆柱形结构广泛存在于自然界及海洋工程中，如 TLP平台的支撑柱、浮式风机的立柱、海洋立管等结构。当高速流体绕过此类圆柱形结构时，在一定的流动状态下圆柱后方会产生周期性交替发放的旋涡，而诱发圆柱体结构在与来流垂直的方向上产生很大周期性变化的流体力，当此流体力的频率与结构固有频率接近时，会使结构产生共振现象，从而引起结构产生很大的横向振动或运动，称涡激振动（VIV）或涡激运动（VIM），严重时会对结构物造成破坏，甚至带来严重的灾害。因此 VIV和 VIM的抑制方法的研究成为当前学术界研究的热点问题。 本文从粘性流体绕流为切入点，采用在圆柱尾流背压区设计抑制板的方法来研究圆柱因边界层分离所致的旋涡脱落的抑制问题，进而从流体运动控制的角度来抑制或降低结构的 VIV或 VIM问题。因高雷诺数时圆柱的绕流问题与湍流的多变性、边界层分离、剪切层的不完全转捩及分离点的飘移等物理现象密切相关，所以本文基于OpenFOAM开源代码，在改进和嵌入高级湍流模型的基础上，进行抑制板抑制圆柱尾流绕流抑制机理的数值计算方法和预报技术研究。 本文针对标准k??模型的的缺陷，基于能量法了修正的k??模型，提高了尾流场旋涡发放强度，进而改善了脉动项的计算精度；并基于OpenFOAM开源代码内嵌并编译修正的k??模型，探索了离散方法和 PISO算法数值求解的优越性，并采用标志性模型进行验证分析，保证本文数值算法的正确性与准确性。在此基础上，开展了不同雷诺数时一系列的二维粘性流体圆柱绕流问题的数值模拟，研究抑制板流向长度对圆柱各个水动力系数和流态的影响；进而拓展到三维计算研究，探索了抑制板空间位置与展向长度对圆柱各个水动力系数和相关性的影响，揭示了抑制板的对高雷诺数时圆柱绕流问题的抑制机理，为工程设计提供科学的理论与参考依据。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 旋涡发放抑制方法研究现状与进展

1.3 本文研究内容

第2章湍流的数值计算方法

2.1控制方程

2.2 湍流数值模拟

2.3 本章小结

第3章基于OpenFOAM的数值实现及验证

3.1 基于OpenFOAM的数值实现

3.2计算程序验证

3.3本章小结

第4章 二维抑制板抑制旋涡发放机理研究

4.1计算工况与计算分析参数

4.2数值模型与边界条件

4.3抑制板对流域内旋涡发放模式的影响

4.4抑制板对流域内压力分布特性的影响

4.5本章小结

第5章三维抑制板抑制旋涡发放机理研究

5.1计算工况与计算分析参数

5.2数值模型与边界条件

5.3三维抑制板空间位置优化设计

5.4三维抑制板展向高度抑制泄涡的优化设计

5.5 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