具有自由液面流场中圆柱绕流的数值模拟研究

论文摘要

带有自由液面的流动现象广泛地存在于现实生活中,它与人类的生存和发展有着不可分割的联系,人们对它的利用和研究从来就没有间断过。在港口、海岸及近海工程的研究领域中,自由液面流动问题的研究也是其中一个很重要的部分。海洋深海钻井平台、立管、大桥桥墩、海洋中航行的船舶、桅杆等结构物穿透自由液面,引起了物体表面的粘性效应,包括各种形式的波的自由液面现象,物体表面薄的边界层,气泡夹带,和三维的流体分离等现象。在海洋工程方面,目前的研究多集中于船舶穿透自由液面方面,而对于圆柱状结构穿透自由液面研究很少。本文使用计算流体力学软件CFX,应用RNGk-ε湍流模型,结合VOF（Volume Of Fluid）方法,在雷诺数为104～105,弗劳德数为0.15～0.88范围内,研究了均匀流场中三维圆柱体穿透自由液面的绕流问题。分析了自由液面在流场绕过圆柱时的变化,并分析了自由液面对流场绕过圆柱的尾迹的影响,总结流场对不同的雷诺数和弗劳德数的变化规律。同时也分析了自由液面对圆柱表面的各种作用力的影响,并将数值模拟的计算结果和已有计算结果进行对比并分析。本文主要结论如下:1.在圆柱前驻点,自由液面上升的高度L小于Fr2*D/2。在背压区,由于自由液面的影响,圆柱背压区的基压系数在-0.7～.0.5的范围内,且背压区的自由液面下降深度L0与基压系数的关系满足Cpb=2gL0/V2。2.随着弗劳德数增大,自由液面的影响深度和范围增大。较高的雷诺数限制了自由液面对流场的作用,自由液面对流场流动的影响变小。3.不同水深处圆柱截面的时均压力系数随周向角的变化趋势与无自由液面的时均压力系数变化趋势一致,但在自由液面影响范围内,相同周向角的时均压力系数随着水深的增加而减小。4.圆柱总的时均阻力系数、脉动阻力系数和脉动升力系数以及相同水深处各截面的时均阻力系数、脉动阻力系数和脉动升力系数随弗劳德数和雷诺数增加而减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 物体穿透自由液面的流动的研究进展及现状
• 1.3 自由液面问题的数值研究
• 1.4 圆柱体绕流的旋涡发放特性
• 1.5 本文主要工作内容
• 第2章 具有自由液面的流场数值模拟方法
• 2.1 概述
• 2.2 N-S方程
• 2.3 湍流模式理论
• 2.3.1 湍流模型
• 2.3.2 湍流模型的选择
• 2.3.3 近壁面湍流模型的修正
• 2.4 VOF方法
• 2.4.1 VOF方法原理
• 2.4.2 F函数的确定
• 2.5 流场流动参数定义
• 2.6 本章小结
• 第3章 具有自由液面的流场有限元模型
• 3.1 有限元模型的建立
• 3.1.1 有限元模型流场尺寸的选取
• 3.1.2 有限元模型网格的划分
• 3.2 边界和初始条件的设置
• 3.2.1 流场边界条件
• 3.2.2 流场初始条件
• 3.3 模型网格划分方案的选择
• 3.4 本章小结
• 第4章 自由液面对圆柱绕流流场尾迹的影响
• 4.1 数值实验计算工况
• 4.2 自由液面的变化
• 4.3 自由液面对圆柱绕流流场尾迹的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 具有自由液面时圆柱绕流水动力特性研究
• 5.1 概述
• 5.2 时均压力系数沿周向分布
• 5.3 脉动压力系数沿周向分布
• 5.4 圆柱体表面阻力系数和升力系数
• 5.4.1 时均阻力系数
• 5.4.2 脉动阻力系数
• 5.4.3 脉动升力系数
• 5.5 斯特诺哈尔数的数值实验结果
• 5.6 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