近壁面圆柱绕流的漩涡脱落及水动力特性研究

发布时间：2018-01-26 23:39

本文关键词： 排海管道近壁面圆柱水动力漩涡脱落高雷诺数湍流　出处：《哈尔滨工程大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：由于海底表面易腐蚀,海水的冲刷作用会使海底管道与海底之间产生间隙,成为悬跨圆柱体结构。管道表面发生的周期性漩涡脱落现象导致管道表面的压力变得非常不稳定,从而引发涡激振动,破坏管道的结构安全。在研究管道漩涡脱落和预报水动力特性的时候,通常简化成均匀流绕过近水平壁面圆柱体的数学模型。近壁圆柱绕流是海洋工程中重要的课题之一,以其可能影响漩涡脱落和水动力的参数众多且作用复杂成为学者们研究的热点。远海排污管道尺寸较大,其周围流场为高雷诺数湍流流场,相应的其漩涡脱落及水动力特性更为复杂。本文以此为选题背景,从工程实际出发,从圆柱边界层动量,圆柱边界层的三维效应和圆柱边界层的能量三个方面研究了边界层对近壁面圆柱绕流中漩涡脱落及水动力特性的影响,主要内容和结论如下:(1)描述了近壁圆柱绕流的流动特性并列举了主要特征参数,对该问题的发展历程及研究进展做了回顾和总结,并提出研究中主要面临的问题是影响圆柱尾流的参数较多,且无法确定每个参数的具体作用。介绍了计算高雷诺数湍流的基本方法和湍流模型,并对网格无关性和湍流模型的选择做了对比和研究。在雷诺数较低时(1.4×104),标准k-ε模型和大涡模拟在计算平均受力和St数上都表现出良好的准确性,大涡模拟在捕捉瞬时变化上更为准确。在较高雷诺数(1×105)时,标准k-ε模型表现出其占用计算资源少的优势。(2)通过对多个有代表性的前人实验做进行比较分析,指出除了目前学者主要讨论的三种参数:雷诺数Re、平板壁面边界层与圆柱直径比δ/D和圆柱与平板壁面的间距与圆柱直径比G/D外,由圆柱下表面边界层形状变化引起的动量变化也是重要的影响因素。根据圆柱绕流的涡泄原理和利用卡门动量积分方程对圆柱下表面边界层动量变化的数学表达式进行推导,并据此提出边界层的形状因子H作为研究近壁圆柱绕流问题的新参数。漩涡脱落的强弱程度影响圆柱表面水动力特性,用边界层动量观点很好的解释了阻力、升力的基本变化趋势。(3)高雷诺数时湍流的三维效应强烈,如果不能保证计算域具有足够的尺度,计算域壁面将影响圆柱尾流。通过对计算域尺度的研究,确定在雷诺数Re = 105时,计算域宽度为25D时,可以将壁面影响降到合理范围之内。模拟了不同来流角度时圆柱体的漩涡脱落及水动力特性变化,用边界层内的动量变化的观点分析了水动力变化以及无关原则在大角度(45°以上)时可能出现失效的原因,从而将边界层动量变化对流场的影响的适用性从二维效应拓展到三维效应。(4)根据海洋中海水温度变化的特点,依照现行规范对排海管道设计温度的规定,模拟了不同来流温度时不同圆柱外壁温度的近壁绕流。对绕流中边界层内能量交换对流场特点及圆柱体受力和变形的影响进行研究,认为圆柱边界层除了在动量上会影响圆柱尾流流动,也在能量上会对流动产生影响。当边界层能量较低时,流场的速度分布和水动力系数呈异常状态,漩涡脱落的强烈程度减弱。
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【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P756.2

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