自由液面和端部效应作用下的钝体绕流的数值模拟

发布时间：2020-07-14 16:51

【摘要】：在实际工程中出现的立管、平台桩腿和大桥桥墩等简化成的单圆柱已经成为现在海洋工程结构中最常见的基本单元之一,国内外众多学者对单相无限长圆柱绕流展开了大量的研究工作。但在较低雷诺数条件下,有限长绕流、带有自由液面的绕流以及自由液面和端部效应相互作用下绕流的研究相对较少,此时流场的复杂性也对进行试验研究提出了新的更大的挑战。因此,采用合适的湍流模型进行数值模拟显得尤其重要,本文通过三维数值模拟,对上述三种情况下的绕流问题进行了研究对比分析。本文在经典圆柱绕流的基础上,首先对单相无限长绕流进行了验证计算,然后对雷诺数Re=200、500及1000条件下的有限长绕流、带有自由液面的绕流以及自由液面和端部效应相互作用下的圆柱绕流进行数值模拟,此外还对雷诺数Re=5000、傅汝德数Fr=0.8时仅带有自由液面的圆柱绕流进行数值模拟。根据对绕流升阻力系数、流场速度分布、涡脱落频率、液面高度变化、三维涡结构的脱落形态以及瞬态流场云图等水动力特性的分析,结果表明端部效应和自由液面单独存在时都对尾流场产生了很大的影响,自由端极大地改变了圆柱的受力情况、流向时均速度在展向的分布同时抑制了漩涡的脱落;而自由液面仅对自由液面附近的流向时均速度的影响很大,并在自由液面附近产生了大量无规则的、小尺度涡,前驻点附近液面的最大高度、柱体前后液面差以及自由液面影响的最大水深与雷诺数尤其是傅汝德数有着密切的关系;自由液面和端部效应相互作用下的流场融合两者单独作用下的特点,分析某一具体的流动特征时两者的作用又各有侧重,两者相互作用下自由液面对圆柱受力情况的影响占主导地位,端部效应对流向时均速度的影响更大,柱体后的涡管图结合了两者单独作用下的特征,端部效应对两者相互作用下柱体前驻点附近的最大液面高度影响不大,但会使柱体后液面下降的最低高度有所上升,而且上升的幅度随着雷诺数和傅汝德数的增加而增大,两者相互作用下的绕流现象被限制在自由液面和自由端面之间相对较小的区域之中。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P75
【图文】：

示意图,计算域

3 数值模拟方法验证几何模型和边界条件有限长圆柱绕流现象的研究是建立在无限长圆柱绕流的基础上的，目前对柱绕流的研究相对较少，雷诺数对无限长圆柱绕流而言是一个重要参数，多数内容是对比相同雷诺数条件下的长径比和傅汝德数等的影响，因此本数 Re=200、500 和 1000 的条件下的无限长圆柱绕流都进行了网格收敛性于本文研究的是处于无限大的水域中的结构物，应尽量减小边界条件的影长方体计算域，圆形计算域更加符合要求，而且后者在进行网格划分时高易于控制长宽比，网格具有更好的扭曲率和正交性。算域的示意图如图 3-1 所示，坐标原点设置为圆柱中心，设定圆柱的直径算域的直径为 20D,在满足展向高度要求的基础上，综合考虑后文两相流的展向高度为 6D。

示意图,计算域,示意图

(b) 计算域正视图图 3-1 计算域示意图入口设置为速度入口，均匀来流，出口采用自由出流，圆柱表面采用无滑移边界条件，圆柱刚性无滑移，上下边界采用对称边界条件。网格划分与结果验证本文分别采用三套加密程度不一的网格进行网格收敛性分析，确保每套网格在计算稳定之后圆柱体的近壁区域的 Y plus 值满足都小于或等于 1 的条件，时间步长取为 0.001，得到时均升阻力系数，并对升力系数进行傅里叶变换得到斯特劳哈尔数 St，全部计算结果如表 3-1、表 3-2 和表 3-3 所示，然后将雷诺数 Re=1000 和Re=200 的计算结果与其他研究者的数值模拟计算结果或实验结果进行对比如表3-4 和表 3-5 所示。表 3-1 不同网格数下的绕流计算结果（Re=1000）

对比图,雷诺数,对比图,曲线图

为了对比有限长圆柱绕流与无限长圆柱绕流的流动特性，以探究有限长圆柱自由端面对流场的影响，本文首先对无限长圆柱绕流的计算结果进行分析。除了时均阻力系数和斯特劳哈数随着雷诺数变化之外，雷诺数的影响在尾流场的瞬时特性和时均特性上也有显著体现。在流场的变化稳定之后，将流场的速度按时间取平均，取计算域下边界即圆柱底面所在平面为 Z=0D 位置。(a) Re=200 时流向时均速度分布图 (b) Re=500 时流向时均速度分布图

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