近水面矩形柱绕流涡旋形态和力学性能的数值模拟研究

摘要

矩形柱绕流是流体力学领域重要的流体问题，广泛存在于工程实际中。研究矩形柱绕流的涡旋形态和力学性能对设计矩形截面结构具有重要的指导意义。然而，虽然针对无限流域中的矩形柱绕流已有广泛研究，但是，针对靠近自由水面的矩形柱绕流的研究较少。特别的，水深比(d/l)和宽长比(w/l)对近水面矩形柱绕流的影响、涡旋形态分类和雷诺数(Re)的影响等问题尚未得到解决。　　本文采用基于雷诺平均的纳维尔-斯托克斯(Reynolds-averagedNavier-Stokes，简称RANS)方程的方法对近水面矩形柱绕流进行了二维两相流数值模拟。其中，RANS湍流模型采用Mentorshearstresstransport(SST)k-ω两方程模型，两相流模型采用流体体积法(Volumeoffluid，简称VOF)。本文从以下4个方面对靠近自由水面的矩形柱绕流进行了研究：　　(1)近水面矩形柱绕流的两相流数值模拟。为验证二维RANSMentorSSTk-ω湍流模型和VOF两相流模型对近水面矩形柱绕流数值模拟的适用性，本文对d/l为4.5时方柱周围的速度和压强分布、不同w/l的矩形柱力系数和不同w/l的矩形柱涡旋流动进行了研究，并与已有的无限流域中矩形柱绕流的实验和数值模拟结果进行了对比。根据数值模拟验证，本文的二维两相流数值模型在0.7≤w/l≤5.0范围内能够较准确地模拟近水面矩形柱绕流。　　(2)d/l和w/l对近水面矩形柱绕流的影响。为研究d/l和w/l对近水面矩形柱绕流影响的关系，本文首先对w/l为1.0和3.0的矩形柱绕流随d/l的变化进行了研究。然后，研究了在不同d/l时w/l对矩形柱绕流的影响，以探讨在自由水面的约束作用下w/l对矩形柱绕流影响的变化。研究发现，d/l对近水面矩形柱绕流的影响与w/l有关，并且，在不同d/l时w/l对矩形柱绕流的影响不同。　　(3)近水面矩形柱绕流的涡旋形态分类。为研究不同d/l和w/l时近水面矩形柱绕流的涡旋形态，本文考虑了范围广阔的d/l和w/l。d/l和w/l的范围分别是0.3-4.5和0.7-5.0。根据对涡旋流动的观察，本文区分了3大类(反对称、非对称和涡旋周期脱落停止)和6小类(分离、重附着、非对称分离、单侧重附着、非对称重附着和涡旋周期脱落停止)涡旋形态。为确定各涡旋形态的划分边界，本文对速度和力系数随d/l和w/l的变化进行了分析，并根据速度和力系数的变化特点指定了划分边界的规则。涡旋形态划分图表明，当d/l大于1.5时，自由水面与矩形柱绕流之间的相互作用很小。涡旋周期脱落停止的临界d/l在w/l处于0.7≤w/l＜1.5、1.5≤w/l＜2.8和2.8＜w/l≤5.0范围内时分别位于0.5-0.6、0.7-1.0和0.8-0.9。　　(4)Re对近水面方柱绕流的影响。为研究Re对近水面方柱绕流的影响，本文对2.0×104≤Re≤9.9×104范围内4个d/l时(0.3、0.7、1.0和4.5)的方柱绕流进行了数值模拟。研究发现，当d/l为4.5时，方柱绕流随Re变化很小，而当d/l为0.3、0.7和1.0时，方柱的涡旋形态和力系数随Re变化显著。另外，针对近水面方柱绕流中的2个重要的流动现象，即水面喷气式流动和涡旋周期脱落停止，本文分别从局部傅汝德数(Fr)和方柱绕流上下方剪切层的相互关系两个角度进行了深入分析。

目录

声明

主要符号表

第1章绪 论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 矩形柱绕流的工程背景和意义

1.1.2 矩形柱绕流的受力和流动特征

1.2 矩形柱绕流的研究进展

1.2.1 数值模拟

1.2.2 靠近自由水面的柱绕流

1.2.3 靠近固体壁面的柱绕流

1.2.4 雷诺数对矩形柱绕流的影响

1.2.5 现有研究的不足和亟待解决的问题

1.3 本文研究工作概述

1.3.1 研究思路和内容

1.3.2 本文各章内容简介

第2章流体力学理论

2.1 流体控制方程

2.2 两相流模型

2.3 湍流模型

2.4 本章小结

第3章数值离散和算法

3.1 有限体积法

3.2 离散格式

3.2.1 时间项

3.2.2 对流项

3.2.3 扩散项

3.2.4 源项

3.3 完全离散后的代数方程

3.3.1 动量守恒方程

3.3.2 压强修正方程

3.3.3 体积分数方程

3.3.3 湍流运动能方程

3.3.3 比湍流耗散方程

3.4 算法

3.5 本章小结

第4章数值模拟过程和验证

4.1 数值模拟软件

4.1.1 OpenFOAM

4.1.2 InterFOAM

4.2 参数介绍

4.2.1 水深比

4.2.2 宽长比

4.2.3 阻力系数

4.2.4 升力系数

4.2.5 升力系数均方根

4.2.6 斯特劳哈尔数

4.2.7 雷诺数

4.2.8 傅汝德数

4.2.9 压强系数

4.2.10 沿y轴方向的涡量

4.3 计算域和边界条件

4.4 收敛分析

4.5 数值模拟验证

4.5.1 速度和压强

4.5.2 力系数

4.5.3 涡旋形态

4.6 本章小结

第5章水深比和宽长比的影响

5.1 引言

5.2 本章研究内容

5.3 水深比的影响

5.4 宽长比的影响

5.5 本章小结

第6章涡旋形态分类

6.1 引言

6.2 本章研究内容

6.3 涡旋形态分类

6.3.1 反对称涡旋形态

6.3.2 非对称涡旋形态

6.3.3 涡旋周期脱落停止

6.4 速度

6.5 力系数

6.6 涡旋形态划分

6.7 本章小结

第7章雷诺数的影响

7.1 引言

7.2 本章研究内容

7.3 网格收敛分析

7.4 力系数

7.5 流线

7.6 水面起伏和涡旋动态

7.7 水面喷气式流动

7.8 涡旋周期脱落停止

7.9 本章小结

总结与展望

本文主要的研究内容、结论和创新点

研究展望

参考文献

致 谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录