【摘要】：本論文在Navier-Stokes方程的基礎上對海洋工程中的若干小尺度水動力問題開展了數值研究。 文中首先對目前海洋工程中的常用水動力模型進行了概述,指出：對于需要考慮流動中粘性耗散、渦旋運動和湍流效應的工程問題,有關的數值計算必須在N-S方程的基礎上結合適當的湍流模型加以開展。同時,文中還對相關的湍流理論、模型發(fā)展以及計算流體力學的基本方法進行了總結。 在本論文的第二章,對文中所要用到的基本湍流模型——雷諾平均的非線性k-e模型、重整化群湍流模型以及大渦模擬方法進行了介紹,并結合層流態(tài)N-S方程的三步有限元數值離散給出了基本流動模型的時空離散方法。 論文的第三章以Laplace方程的微分網格生成、方腔拖曳流、槽道中方形障礙物繞流、后臺階繞流,圓柱繞流等問題對基本有限元程序、代數方程組的求解效率以及湍流模型的數值可靠性進行了驗證。在第三章的最后,進一步對帶橫隔板的圓柱繞流問題進行了數值計算,對其尾跡區(qū)的渦旋演化特征進行了探討。 本論文的第四章對低雷諾數下圓柱繞流的橫向振蕩力開展了流動控制研究,目的在于建立一種流動控制措施,使之能夠有效減小圓柱所受橫向振蕩力的幅值,這對于減小海洋工程中鈍體結構渦激振蕩問題的危害具有實際意義。本論文借助于N-S方程的數值求解,給出了通過圓柱受力特征來實時調整圓柱的旋轉速度,進而達到壓制橫向振蕩力的后饋型流動控制措施。該流動控制措施實現過程簡單、對流場的擾動較小,其本質是通過旋轉圓柱改變繞流尾跡區(qū)渦流場的演化過程,縮小渦旋分離相位差來減小橫向力幅值。經多組數值試驗研究證明：本論文提出的流動控制措施可將橫向力幅值壓制到50%以下。 論文第五章主要針對海底管線附近底床的沖刷問題開展了數值研究工作。分別以雷諾平均的非線性k-ε模型、重整化群湍流模型結合預網格剖分的邊界擬合技術和臨界壁面剪切應力對海底管線附近底床的沖刷平衡剖面進行了數值模擬,數值結果與實驗符合較好。在此基礎上,進一步結合大渦模擬的流場計算結果對沖刷發(fā)生的力學機制進行了分析,指出：在建立沖刷數值模型時,必須注意湍流模型與泥沙擴散方程的搭配使用問題。文中同時以RNG湍流模型對沖刷初期管涌現象與水平壓力梯度的關系進行了研究。 本論文第六章建立了一個通用自由表面湍流動數值模型——FEM-LES-VOF,首次實現了有限元、大渦模擬和流體體積的混合算法。FEM-LES-VOF模型的主要優(yōu)點是：能夠適應于任意復雜固壁邊界條件、對自由表面的捕捉可在非規(guī)則網格系統(tǒng)下實現、能夠比較準確地反映出自由表面流動過程中的渦流場特征。通過對潰壩流動以及水流通過半圓形障礙物等的數值計算表明：FEM-LES-VOF模型能夠對復雜情況下的自由表面湍流動過程給出較好的模擬結果。文中也將FEM-LES-VOF模型推廣到兩相流問題中,這對進一步研究海洋水氣界面的細部流動特征具有實際意義。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2006
【分類號】：O241.82;P75

【引證文獻】

相關博士學位論文 前2條

1 雷凡;水下柔性結構流固耦合動力效應研究[D];武漢理工大學;2011年

2 唐國強;立管渦激振動數值模擬方法及物理模型實驗[D];大連理工大學;2011年

相關碩士學位論文 前5條

1 仇正中;波浪對海底管線作用的數值模擬[D];大連理工大學;2011年

2 王海嬌;基于特征線的N-S方程算子分裂有限元方法（CBOS法）[D];大連大學;2011年

3 張友林;海洋立管渦激振動抑制方法研究[D];江蘇科技大學;2011年

4 李明明;深水多跨管道VIV疲勞評估[D];哈爾濱工程大學;2011年

5 張樺;海底管道周圍海床沖刷及管道受力的數值模擬[D];大連理工大學;2012年

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本文編號：2623103