带轴向板条圆柱绕流数值模拟研究

论文摘要

圆柱状结构在海洋工程领域有广泛的应用,例如桩群、油气管道、平台上的钻探、采油、注水立管等。研究既能减阻又能减振并且具有全向性的圆柱涡激振动抑制措施具有重要的理论意义和实用价值。本论文基于FLUENT软件平台,以二维不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程为控制方程,采用处理压力速度耦合关系的SIMPLE算法,对圆柱周围顺轴向均布板条的全向性减阻减振结构进行数值模拟研究。考虑雷诺数Re=100300的层流流动,计算代表减阻、减振性能的时均阻力系数、脉动升力系数和斯特劳哈尔数,研究各参数的变化规律以及圆柱近壁面流场的基本特性。探讨带轴向板条圆柱减阻、减振的有效性和工作机理,为工程设计和物理模型试验提供指导。对二维非定常单圆柱绕流进行数值模拟,进行网格无关性和计算方法正确性的验证。计算单圆柱绕流的时均阻力系数、脉动升力系数和斯特劳哈尔数,计算结果与模型试验数据符合良好。计算带轴向板条圆柱绕流的时均阻力系数、脉动升力系数、斯特劳哈尔数、涡脱落频率等,对涡量、速度、压力等流场特征进行分析。Re=100300时带轴向板条圆柱结构内部主圆柱的时均阻力系数相比单圆柱有所降低,降幅为2.8%14.2%,随着雷诺数的变大,时均阻力系数基本是先降低后升高,在Re=175时减阻效果最差。当Re>175180时,随着雷诺数的增大,单圆柱脉动升力系数通常逐渐增大,但是带轴向板条圆柱脉动升力系数出现稳定而明显的降低,在Re=200300范围内平均降低20%,减振效果明显。总之,当Re>175180时,带轴向板条圆柱的减阻、减振性能稳定、良好。带轴向板条圆柱斯特劳哈尔数随雷诺数的变化规律与单圆柱情况下相似,整体脱涡频率降低。研究表明:Re=100300范围内,带轴向板条圆柱斯特劳哈尔数S1c与单圆柱斯特劳哈尔数S1c之间的关系为: S1c≈0.873Sts。此关系式可以为带轴向板条圆柱斯特劳哈尔数的获取提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 圆柱绕流减阻减振研究及被动控制方法分类
• 1.2.2 圆柱绕流全向裹覆减阻减振方法研究现状
• 1.3 本文的研究内容和创新点
• 1.3.1 本文的研究内容
• 1.3.2 本文的创新点
• 2 圆柱绕流数值模拟理论基础及表征参数
• 2.1 流体运动基本方程
• 2.2 数值计算方法
• 2.3 圆柱绕流流场特性及表征参数
• 3 单圆柱绕流数值模拟及验证
• 3.1 模型建立
• 3.2 网格划分
• 3.3 边界条件及初始条件
• 3.4 网格无关性验证
• 3.5 单圆柱绕流结果验证
• 3.6 本章小结
• 4 带轴向板条圆柱绕流数值模拟
• 4.1 模型建立
• 4.2 网格划分
• 4.3 边界条件及初始条件
• 4.4 带轴向板条圆柱绕流结果分析
• 4.4.1 带轴向板条圆柱减阻效果分析
• 4.4.2 带轴向板条圆柱减振效果分析
• 4.4.3 带轴向板条圆柱斯特劳哈尔数分析
• 4.5 流动可视化研究
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文
• 个人简历