三维有限长圆柱绕流机理及减阻研究

发布时间：2020-04-30 06:40

【摘要】：圆柱绕流问题是流体力学中的经典问题,流体流经圆柱时,会产生周期性的漩涡脱落,从而引起圆柱结构本身的振动。圆柱形结构物广泛应用于各类工程结构物,如海洋平台的桩腿,跨海大桥的斜拉钢索,海洋石油钻探的海洋立管以及深海潜标的系留绳等。当结构物受到漩涡脱落引起的周期性力的时候,会引起结构的疲劳,影响结构的寿命。结构物中的圆柱部分大部分并不是无限长的,有限长的圆柱的流动往往更具有实际的应用意义。由于湍流结构的复杂,至今仍然没有完全预测圆柱流动结构的方法,因而有必要在前人研究的基础上进一步研究有限长圆柱的流动机理,寻求减阻抑振的措施。本文首先从亚临界区域对无限长圆柱进行了受力和流场的分析,充分探究无限长圆柱流动机理。在同样计算条件下,对有限长的圆柱进行了受力、涡量、流场及流线的研究。最后,在前人研究的基础上,对具有波浪外形的有限长圆柱进行了流场和受力的研究,对比无限长、有限长和有限长波浪圆柱之间流动的异同,寻求减阻抑振的圆柱外形,理解圆柱减阻的机理。亚临界区域下基于大涡模拟的数值方法对无限长圆柱从网格分辨率及亚网格尺度应力模型的角度找到了最适合当前工况下的计算条件,结合Courant公式定义合理的时间步,验证了计算方法的准确性。分析了对于绕流分析的重要参数如回流区长度、边界层分离角度、升阻力时域曲线等。同样地,亚临界区域下,以相同的角度验证并分析了有限长圆柱的受力及流动特性。研究发现了有限长圆柱自由端面特有的顶涡、其后的梢涡和底部的“马蹄”形漩涡,其中自有端面存在着“下洗”流动,会导致阻力损失。有限长圆柱三维涡结构展向差距较大,三维特性较强。在有限长圆柱研究的基础上,研究了有限长波浪形圆柱,采用了三个波长四个波幅十二种组合的波浪圆柱以及三个同等长径比的直圆柱进行分析,发现了波浪形圆柱可以一定程度上减阻抑振,相比于直圆柱,其展向分离角、回流区长度、流动模式、基础压力系数均不相同,三维结构更加复杂。本文的研究对于理解有限长直圆柱、波浪圆柱、圆柱的减阻抑振和流动机理具有一定的借鉴指导意义,对于工程中圆柱结构的减阻抑振设计具有参考价值。
【图文】：

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尺度应力模型下对三维圆柱进行了数层分离角、升阻力系数、基础压力系径比对上述参数有一定的影响，但模 Fluent 下将大涡模拟用于双圆柱的数率等物理量的分析，计算得出双圆研究现状固定于固定壁面的圆柱，受到来流作与无限长圆柱相同的是，圆柱后缘都。所不同的是，在其自由端面处，会，流体中的一部分会发生下洗流动，，壁面的位置处，受固定壁面的影响，动特征。上述的特性共同造成了有限而，在研究无限长圆柱的基础上，研助于发现有限长圆柱独有的流动特性

示意图,圆柱结构,波浪形,示意图

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文高，而被动控制方式不需要额外的能量输入，[22]。被动控制的方式有很多，在圆柱绕流控制改变圆柱的流动外形如添加整流罩[23-26]和在柱柱直径的波浪形圆柱[34]、改造圆柱结构如在圆圆柱周围放置小的伴流圆柱[42-48]等。对圆柱流似于波浪的正弦形的流动外形就是其中之一，-50]。这些研究主要集中在对无限长边界条件下
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O357.5

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