多个附属小圆柱控制主圆柱流动的数值研究

摘要

圆柱是海洋工程中的常用结构形式，海洋平台、钻杆和海洋立管等结构的绕流问题的某种程度上均可简化成圆柱绕流。钻井或石油开采过程中，在主管周围通常会布置一些附属管道，可能会使主管道绕流受力增加或减小。为了探讨这些附属管道对主管道绕流特性的影响，以便更好地应用于工程实际中，本文利用FLUENT软件对主圆柱外均布6个附属小圆柱的二维不可压缩流动等进行了研究。 本文着重研究了附属小圆柱直径d、大小圆柱间距G、大小圆柱相对角度α以及雷诺数(Re≤600)的变化对直径为D的大圆柱的升力系数、阻力系数和涡脱落频率的影响作用。数值结果表明：在低雷诺数条件下(Re=200)，小圆柱直径的变化对主圆柱的受力无明显影响，但对St数的影响作用明显；而G/D值对主圆柱受力以及涡脱落频率都具有明显的影响作用，当G/D介于0.2到0.4之间时，主圆柱上的阻力系数、升力系数和St数最多可分别减小到不带附属小圆柱情况下的76％，0.4％和62％。低雷诺数下，随着大小圆柱的相对角度α的改变，平均阻力系数在G/D=1的情况下变化较明显，升力系数幅值在G/D=0.125时变化也较大，平均升力系数则在G/D=0.185和1时都有较大改变，而G/D=0.375、0.5和1时，St数的变化则更明显。不过这些变化都控制在单柱绕流水平的15％以内，对于工程问题而言，这种变化是很小的。对于大圆柱外均布6个附属小圆柱的模型，雷诺数的增加会使大圆柱受力不稳定，且拖曳力系数和升力系数幅值都会有较大变化，但是相对于相同雷诺数下的单元柱绕流，大圆柱外均布6个附属小圆柱不会增大平均拖曳力系数，并且可以在一定程度上降低升力系数幅值。所以可以认为，在主圆柱外均布6个小圆柱时，在合适的间距下，对于各个方向的来流都有较好的控制作用，可在一定程度上减小作用在主圆柱上的阻力和升力，对于实际工程有很好的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2圆柱绕流简介

1.3 国内外研究现状

1.4本文主要工作内容

2理论基础

2.1 流体力学控制方程

2.1.1质量守恒方程(连续性方程)

2.1.1动量守恒方程(运动方程)

2.2计算流体力学基础

2.2.1 计算流体力学简介

2.2.2计算流体力学中常用数值方法概述

2.2.3不可压缩流场的求解方法

2.3 FLUENT软件简介

2.4本章小结

3模型建立及验证

3.1 物理模型与网格划分

3.2控制方程的选定

3.3数值求解与定解条件

3.4单圆柱结果验证

3.5不同直径双柱绕流模型

3.6本章小结

4计算结果与分析

4.1 6个附属小圆柱模型的建立

4.2三组不同直径小圆柱下大小圆柱间距改变时的情况

4.2.1 圆柱受力的依赖关系

4.2.2主圆柱升力减小的物理机制

4.3小圆柱与主圆柱相对角度α改变时的情况

4.4不同雷诺数下大圆柱的受力情况

4.4.1不同雷诺数下单圆柱绕流情况

4.4.2 不同雷诺数下多圆柱绕流情况

4.5本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢