风雨两相流作用下柱形结构载荷特性研究

论文摘要

在港口、海岸及近海工程中,柱形结构得到了广泛的应用,柱形结构绕流是工程中很普遍的现象。目前的研究对象多为圆柱,非圆柱的结构以方柱和矩形柱为主,且都是有垂直侧壁的柱状结构。在近海工程领域,锥柱状的柱形结构得到了应用。其结构形式的不同使柱形结构的风载性能发生了重大变化。因此,开展柱形结构结构在气流场中所受的风载特性研究无论对工程运用还是理论研究都有着一定的参考价值,同时对风雨两相流作用下柱形结构的流体载荷特性进行了初步研究。使用计算流体力学软件ICEM和CFX,采用国内外研究风载问题普遍应用的RNG k-ε方法,数值模拟了不同雷诺数、不同风向角下均匀流场中柱形结构的流体载荷问题,研究了尾流轨迹以及柱形结构表面所受到的流体载荷等相关特性,主要工作如下:1)讨论并选取数值实验所采用的湍流模型,确定流场尺寸,进行网格优化,确定边界条件以及初始条件,探讨湍流度的选取。2)对比分析数值实验和物理模型试验结果,验证数值实验进行柱形结构风载研究的正确性,同时分析数值实验的优缺点以及改进的方法。3)分析风载下在不同风向角、不同雷诺数时的漩涡脱落形式、稳态压力系数和脉动压力系数沿周向的分布形式、平均阻力系数、脉动阻力系数、平均升力系数、脉动升力系数、平均垂向力系数、脉动垂向力系数和Strouhal数的变化趋势。4)分析风雨两相流作用下在不同雨强、不同风向角、不同雷诺数时的雨滴运动轨迹、定常力、脉动力系数和Strouhal数的变化趋势,并与风载下的结果进行了对比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 柱形结构风振特性的研究现状
• 1.3 流体载荷特性的研究方法
• 1.4 本文主要工作内容
• 第2章 数值实验方案及流体载荷参数定义
• 2.1 概述
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 湍流模型选择
• 2.2.2 RNG k-ε模型
• 2.2.3 计算区域的离散
• 2.3 数值实验流程及设计
• 2.3.1 柱形结构及流场尺寸选取
• 2.3.2 网格划分
• 2.3.3 初始条件和边界条件设定
• 2.3.4 湍流度计算
• 2.4 流体载荷参数定义
• 2.5 本章小结
• 第3章 柱形结构数值实验方法的验证
• 3.1 概述
• 3.2 网格尺寸对数值实验精度的影响分析
• 3.3 数值实验与物理模型试验结果对比分析
• 3.3.1 定常力系数的对比
• 3.3.2 周向平均压力系数的对比
• 3.3.3 脉动力系数的对比
• 3.3.4 周向脉动压力系数的对比
• 3.3.5 Strouhal数的对比
• 3.4 柱形结构风载数值实验的优缺点
• 3.5 本章小结
• 第4章 柱形结构的风载数值实验研究
• 4.1 计算工况
• 4.2 涡放的数值实验结果分析
• 4.2.1 风向角0°时漩涡脱落结构
• 4.2.2 风向角15°时漩涡脱落结构
• 4.2.3 风向角30°时漩涡脱落结构
• 4.2.4 风向角45°时漩涡脱落结构
• 4.3 定常力数值实验结果分析
• 4.3.1 各定常力系数随雷诺数的变化趋势
• 4.3.2 各定常力系数随风向角的变化趋势
• 4.3.3 平均压力系数在周向上的分布
• 4.4 脉动力数值实验结果分析
• 4.4.1 各脉动力系数随雷诺数的变化趋势
• 4.4.2 脉动压力系数在周向上的分布
• 4.5 Strouhal数随雷诺数的变化趋势
• 4.6 本章小结
• 第5章 柱形结构的风雨荷载数值实验研究
• 5.1 概述
• 5.1.1 雨滴的形成
• 5.1.2 雨滴的下落及其状态
• 5.1.3 雨滴运动轨迹的模拟方法
• 5.2 不同雨强下雨滴运动轨迹
• 5.3 定常力数值实验结果分析
• 5.3.1 各定常力系数随雷诺数的变化趋势
• 5.3.2 各定常力系数随风向角的变化趋势
• 5.3.3 平均压力系数在周向上的分布
• 5.4 脉动力数值实验结果分析
• 5.4.1 各脉动力系数随雷诺数的变化趋势
• 5.4.2 脉动压力系数在周向上的分布
• 5.5 Strouhal数随雷诺数的变化趋势
• 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