【摘要】：在實際工程中出現(xiàn)的立管、平臺樁腿和大橋橋墩等簡化成的單圓柱已經(jīng)成為現(xiàn)在海洋工程結(jié)構(gòu)中最常見的基本單元之一,國內(nèi)外眾多學(xué)者對單相無限長圓柱繞流展開了大量的研究工作。但在較低雷諾數(shù)條件下,有限長繞流、帶有自由液面的繞流以及自由液面和端部效應(yīng)相互作用下繞流的研究相對較少,此時流場的復(fù)雜性也對進行試驗研究提出了新的更大的挑戰(zhàn)。因此,采用合適的湍流模型進行數(shù)值模擬顯得尤其重要,本文通過三維數(shù)值模擬,對上述三種情況下的繞流問題進行了研究對比分析。本文在經(jīng)典圓柱繞流的基礎(chǔ)上,首先對單相無限長繞流進行了驗證計算,然后對雷諾數(shù)Re=200、500及1000條件下的有限長繞流、帶有自由液面的繞流以及自由液面和端部效應(yīng)相互作用下的圓柱繞流進行數(shù)值模擬,此外還對雷諾數(shù)Re=5000、傅汝德數(shù)Fr=0.8時僅帶有自由液面的圓柱繞流進行數(shù)值模擬。根據(jù)對繞流升阻力系數(shù)、流場速度分布、渦脫落頻率、液面高度變化、三維渦結(jié)構(gòu)的脫落形態(tài)以及瞬態(tài)流場云圖等水動力特性的分析,結(jié)果表明端部效應(yīng)和自由液面單獨存在時都對尾流場產(chǎn)生了很大的影響,自由端極大地改變了圓柱的受力情況、流向時均速度在展向的分布同時抑制了漩渦的脫落;而自由液面僅對自由液面附近的流向時均速度的影響很大,并在自由液面附近產(chǎn)生了大量無規(guī)則的、小尺度渦,前駐點附近液面的最大高度、柱體前后液面差以及自由液面影響的最大水深與雷諾數(shù)尤其是傅汝德數(shù)有著密切的關(guān)系;自由液面和端部效應(yīng)相互作用下的流場融合兩者單獨作用下的特點,分析某一具體的流動特征時兩者的作用又各有側(cè)重,兩者相互作用下自由液面對圓柱受力情況的影響占主導(dǎo)地位,端部效應(yīng)對流向時均速度的影響更大,柱體后的渦管圖結(jié)合了兩者單獨作用下的特征,端部效應(yīng)對兩者相互作用下柱體前駐點附近的最大液面高度影響不大,但會使柱體后液面下降的最低高度有所上升,而且上升的幅度隨著雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)的增加而增大,兩者相互作用下的繞流現(xiàn)象被限制在自由液面和自由端面之間相對較小的區(qū)域之中。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P75
【圖文】：

3 數(shù)值模擬方法驗證幾何模型和邊界條件有限長圓柱繞流現(xiàn)象的研究是建立在無限長圓柱繞流的基礎(chǔ)上的，目前對柱繞流的研究相對較少，雷諾數(shù)對無限長圓柱繞流而言是一個重要參數(shù)，多數(shù)內(nèi)容是對比相同雷諾數(shù)條件下的長徑比和傅汝德數(shù)等的影響，因此本數(shù) Re=200、500 和 1000 的條件下的無限長圓柱繞流都進行了網(wǎng)格收斂性于本文研究的是處于無限大的水域中的結(jié)構(gòu)物，應(yīng)盡量減小邊界條件的影長方體計算域，圓形計算域更加符合要求，而且后者在進行網(wǎng)格劃分時高易于控制長寬比，網(wǎng)格具有更好的扭曲率和正交性。算域的示意圖如圖 3-1 所示，坐標(biāo)原點設(shè)置為圓柱中心，設(shè)定圓柱的直徑算域的直徑為 20D,在滿足展向高度要求的基礎(chǔ)上，綜合考慮后文兩相流的展向高度為 6D。

(b) 計算域正視圖圖 3-1 計算域示意圖入口設(shè)置為速度入口，均勻來流，出口采用自由出流，圓柱表面采用無滑移邊界條件，圓柱剛性無滑移，上下邊界采用對稱邊界條件。網(wǎng)格劃分與結(jié)果驗證本文分別采用三套加密程度不一的網(wǎng)格進行網(wǎng)格收斂性分析，確保每套網(wǎng)格在計算穩(wěn)定之后圓柱體的近壁區(qū)域的 Y plus 值滿足都小于或等于 1 的條件，時間步長取為 0.001，得到時均升阻力系數(shù)，并對升力系數(shù)進行傅里葉變換得到斯特勞哈爾數(shù) St，全部計算結(jié)果如表 3-1、表 3-2 和表 3-3 所示，然后將雷諾數(shù) Re=1000 和Re=200 的計算結(jié)果與其他研究者的數(shù)值模擬計算結(jié)果或?qū)嶒灲Y(jié)果進行對比如表3-4 和表 3-5 所示。表 3-1 不同網(wǎng)格數(shù)下的繞流計算結(jié)果 （Re=1000）

為了對比有限長圓柱繞流與無限長圓柱繞流的流動特性，以探究有限長圓柱自由端面對流場的影響，本文首先對無限長圓柱繞流的計算結(jié)果進行分析。除了時均阻力系數(shù)和斯特勞哈數(shù)隨著雷諾數(shù)變化之外，雷諾數(shù)的影響在尾流場的瞬時特性和時均特性上也有顯著體現(xiàn)。在流場的變化穩(wěn)定之后，將流場的速度按時間取平均，取計算域下邊界即圓柱底面所在平面為 Z=0D 位置。(a) Re=200 時流向時均速度分布圖 (b) Re=500 時流向時均速度分布圖

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本文編號：2755232