均匀和分层粘性流体中直立圆柱体的绕流特性研究

摘要

在海洋工程中，钻杆、输油气管道和立管等结构，在海流作用下，均会产生显著的涡激振动。这种特殊的流固耦合现象，会降低这些构件的操作性能，严重威胁系统的作业安全和性能。在海水密度均匀分布的情况下，针对这种特殊流固耦合问题的研究已有大量工作，但在粘性分层流中有关海洋工程结构物涡激振动问题的研究，迄今还很少见诸文献报道。 在较为系统地回顾和总结了目前国内外研究进展的基础上，本文就两层粘性流体中直立圆柱体的绕流问题，开展了如下几方面的研究工作： 在第二章中，针对两层流体中直立圆柱体的绕流问题，建立了粘性流数学物理模型，提出了追踪两层流体内界面波动的VOF数值模拟方法。 在第三章中，在层流模式下，数值模拟了均匀和两层粘性流体中直立贯底圆柱体的绕流特性，验证了数值模拟方法的有效性，考察了不同雷诺数下流体的密度分层效应对直立贯底圆柱体尾涡演化和升阻力系数特性的影响规律。 在第四章中，在湍流模式下，采用标准模型数值模拟了均匀和两层粘性流体中直立截断圆柱体的绕流特性，分析了不同潜深的直立截断圆柱体的升力系数、阻力系数、尾涡随时间的演化特征，以及圆柱体绕流引起的两层流体内界面的扰动特性。 在第五章中，在湍流模式下，采用大涡模拟的方法数值模拟了1000米直立贯底圆柱体在均匀流体作用下的绕流问题，分析了剪切流作用下1000米直立贯底圆柱体的升力系数、阻力系数、三维尾涡的不同形态以及压力系数等特征。同时研究了两层流体中100米直立贯底圆柱体的绕流问题。 研究及结果表明：流体的两层分层效应对直立圆柱体的升阻力系数和尾涡分布特性都是有影响的，考虑流体的密度分层效应对直立圆柱体绕流的影响是必要的。