【摘要】：海洋工程裝備及高技術(shù)船舶作為“中國(guó)制造2025”十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一,近年來得到了國(guó)家大力的政策和資金支持。目前我國(guó)海工裝備制造的產(chǎn)業(yè)布局已初步形成,但產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)能力與歐美國(guó)家的差距較大�？紤]到未來市場(chǎng)將對(duì)海工裝備的經(jīng)濟(jì)性,安全性,環(huán)保性提出越來越高的要求,這也給基礎(chǔ)科研帶來了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。以海上鉆井平臺(tái)為例,其立管等許多尺寸不同的構(gòu)件長(zhǎng)期處于洋流或海浪的沖擊之下受柱體繞流的影響極易發(fā)生疲勞損傷。因此避免鉆井平臺(tái)的疲勞損傷,提高平臺(tái)的穩(wěn)定性和使用壽命是設(shè)計(jì)工作中必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。由此可見深化柱體繞流的基礎(chǔ)研究在一定程度上有助于提高相關(guān)工程裝備的設(shè)計(jì)水平。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)非等直徑串列雙圓柱繞流特性的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究和理論成果較為貧乏,尚有許多機(jī)理性的問題沒有解決。本工作旨在通過對(duì)非等直徑串列雙圓柱的流動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究以掌握?qǐng)A柱的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其流體力隨圓柱直徑和間距的變化規(guī)律以及相關(guān)的物理機(jī)理。研究中所采用的雷諾數(shù)為0.8×10~4 2.42×10~4。圓柱模型的直徑比和間距比分別為d/D=0.2 1.0和L/d=1.0 20。實(shí)驗(yàn)中采用了多種流體測(cè)量技術(shù)測(cè)量了圓柱的流體力,斯特勞哈爾數(shù)以及包含漩渦寬度,漩渦形成長(zhǎng)度,剪切層橫向?qū)挾鹊戎T多反應(yīng)流場(chǎng)特性的參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)圓柱的直徑和間距對(duì)串列圓柱的動(dòng)力學(xué)特性有著非常顯著的影響。根據(jù)上游圓柱的剪切層是否附著在下游圓柱表面,串列圓柱間的流態(tài)可分為剪切層再附著流態(tài)和雙渦脫流態(tài)兩種,而后者又可進(jìn)一步分為“渦脫鎖定”、“次諧波鎖定”和“無鎖定”等三種子流態(tài)。根據(jù)雷諾數(shù)的不同,串列圓柱周圍的流動(dòng)可進(jìn)一步細(xì)分“渦脫鎖定”、“間歇性渦脫鎖定”、“無鎖定”、“次諧波鎖定”和剪切層附著等五種子流態(tài)。此外,受上游圓柱漩渦形成長(zhǎng)度的影響,從再附著流態(tài)到共同渦脫流態(tài)所對(duì)應(yīng)的臨界間距比隨著d/D的減小而增大。當(dāng)圓柱間距大于臨界值時(shí),下游圓柱渦脫頻率的變化由d/D的大小決定。在臨界間距比下,下游圓柱流體力在d/D=1.0 0.4時(shí)會(huì)發(fā)生正向跳變,而在d/D=0.2時(shí)則會(huì)發(fā)生反向跳變;同時(shí),渦脫頻率在d/D=1.0 0.8工況下會(huì)發(fā)生正向跳變,在d/D=0.6 0.2時(shí)則出現(xiàn)反向跳變。本研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)d/D=0.6 0.2時(shí),流體力和渦脫頻率會(huì)出現(xiàn)反向跳變現(xiàn)象。通過無量綱分析發(fā)現(xiàn)臨界間距與d/D成反比,這種形式的變化與上游圓柱的漩渦形成長(zhǎng)度有著直接聯(lián)系。伴隨著d/D從1.0減小到0.2,臨界間距的范圍從2.75 3.0增大到6.0 7.0,而重新歸一化的臨界間距則與d/D的變化無關(guān),基本處于2.26 2.64的范圍內(nèi)。而與雙穩(wěn)態(tài)流動(dòng)有關(guān)的臨界間距則隨著d/D的減小而增大。綜上所述,本文針對(duì)非等直徑串列雙圓柱的繞流特性進(jìn)行了系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)圓柱的漩渦脫落頻率、下游圓柱的流體力和表面壓力分布以及圓柱周圍流動(dòng)形態(tài)的系統(tǒng)性測(cè)量分析,研究了圓柱的流體力和流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨直徑比和間距的變化規(guī)律,闡述了上游圓柱對(duì)流態(tài)的影響,揭示了導(dǎo)致流體力變化的物理機(jī)理,提出了一種全新的臨界間距歸一化方法。本文的研究結(jié)果進(jìn)一步深化了有關(guān)非等直徑串列雙圓柱繞流特性的認(rèn)識(shí),不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值,更為相關(guān)工程領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的突破奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O357.5;P7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2728287