三维柱体绕流自由端效应的数值研究

发布时间：2021-05-19 03:37

　　在海洋工程和其他流体环境的工程中,圆柱形结构应用广泛,例如海洋平台的支撑柱、海洋钻井平台的立柱等。这些柱体结构浸没在流体环境中,受到流体的作用力会在柱体的后方形成周期性脱落的旋涡,增大柱体所受到的阻力,诱发涡激振动,不利于工程机械的工作状态,甚至产生结构的疲劳破坏等危害。目前对此类柱体绕流问题的研究已经形成了系统的课题和许多分支,而有限长圆柱绕流就是其中之一。有限长圆柱由于自由端效应的存在使其与一般圆柱绕流的受力状况大大不同,而其在工程实践中却同样广泛存在。本文在Re=2×104的条件下对有限长圆柱与有限长方柱绕流进行数值模拟,目的在于探索柱体形状改变时自由端效应的变化,并在有限长柱体自由端接近壁面的工况下进一步进行数值模拟,以得出一些结论来指导工程实践。为了兼顾效率与准确性,本文的数值模拟采用合适的雷诺时均湍流模型。首先,对二维及三维圆柱进行数值模拟验证,验证结果中采用SSTκ-ω湍流模型能比较准确的得出圆柱受力结果,又采用前人针对标准κ-ε湍流模型缺陷的修正模型对三维方柱进行数值验证,在验证结果准确的基础上对有限长圆柱及方柱进行数值计算。通过数值模拟的方法,本文探索了自由端效应对圆... 

【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校

【文章页数】：96 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 有限长柱体绕流的自由端效应研究进展综述
        1.2.1 具有自由端效应的有限长圆柱绕流
        1.2.2 有限长圆柱绕流的实验研究进展
        1.2.3 有限长圆柱绕流的数值模拟研究进展
    1.3 本文主要研究内容
第2章 湍流的数值计算基本原理
    2.1 基本控制方程
    2.2 湍流数值模拟
    2.3 本章小结
第3章 数值模拟方法及验证
    3.1 OpenFOAM开源代码概述
        3.1.1 OpenFOAM开源代码
        3.1.2 OpenFOAM基本操作流程
        3.1.3 数值离散格式和求解方法
        3.1.4 修正的yt-ε模型在OpenFOAM中的实现
    3.2 数值计算方法有效性验证
        3.2.1 几何模型及流场网格划分
        3.2.2 时间步长的选取
        3.2.3 二维圆柱绕流的数值验证
        3.2.4 三维圆柱体绕流的数值验证
        3.2.5 三维方柱体绕流的数值验证
    3.3 本章小结
第4章 自由端对有限长柱体绕流的影响
    4.1 带自由端的有限长圆柱绕流模型
    4.2 有限长圆柱的计算结果分析
        4.2.1 自由端附近的流动现象
        4.2.2 周向压力系数特性研究
        4.2.3 阻力系数特性研究
        4.2.4 升力系数特性研究
        4.2.5 有限长圆柱绕流的斯托哈尔数
        4.2.6 回流区长度
        4.2.7 尾流场的旋涡脱落模式及压力分布
    4.3 有限长方柱的计算结果分析
        4.3.1 阻、升力系数特性研究
        4.3.2 有限长方柱绕流的斯托哈尔数
        4.3.3 回流区长度
        4.3.4 尾流场的旋涡脱落模式及压力分布
    4.4 自由端对圆柱和方柱的影响区别
    4.5 本章小结
第5章 自由端的顶部壁面影响
    5.1 几何模型的建立
    5.2 顶壁面对有限长圆柱的影响
        5.2.1 压力系数的变化
        5.2.2 阻力系数的变化
        5.2.3 升力系数的变化
        5.2.4 斯托哈尔数分析
        5.2.5 回流区长度
        5.2.6 尾流场的旋涡脱落模式
    5.3 顶壁面对有限长方柱的影响
        5.3.1 阻力系数的变化
        5.3.2 升力系数的变化
        5.3.3 斯托哈尔数变化
        5.3.4 回流区长度
        5.3.5 尾流场的旋涡脱落模式
    5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]高雷诺数下有限长圆柱绕流阻力特性研究[J]. 赵萌,毛军,郗艳红.  机械工程学报. 2015(22)
[2]Large-eddy simulation of the flow past both finite and infinite circular cylinders at Re=3900[J]. 张蕙,杨建民,肖龙飞,吕海宁.  Journal of Hydrodynamics. 2015(02)
[3]基于非结构背景网格的动网格方法研究[J]. 张加乐,陈红全.  航空计算技术. 2012(02)
[4]静止方柱和圆柱绕流的二维数值分析[J]. 毕继红,余化军,任洪鹏.  三峡大学学报(自然科学版). 2012(01)
[5]不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算[J]. 詹昊,李万平,方秦汉,李龙安.  武汉理工大学学报. 2008(12)
[6]基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟[J]. 姚熊亮,方媛媛,戴绍仕,王领.  水动力学研究与进展A辑. 2007(05)
[7]大涡模拟理论进展及其在工程中的应用[J]. 王汉青,王志勇,寇广孝.  流体机械. 2004(07)
[8]中等雷诺数圆柱尾流旋涡脱落的控制[J]. 邵传平,鄂学全,魏庆鼎,朱凤荣.  力学学报. 2002(04)

博士论文
[1]大涡模拟滤波网格尺度研究及其应用[D]. 戴正元.上海交通大学 2007

硕士论文
[1]带旋转板圆柱形结构的绕流特性数值研究[D]. 鞠安然.哈尔滨工程大学 2018
[2]抑制板对湍流中圆柱绕流抑制机理的数值研究[D]. 张弘扬.哈尔滨工程大学 2017
[3]有限长圆柱绕流的流动特性及其机理研究[D]. 乔永亮.哈尔滨工业大学 2016
[4]圆柱绕流及其控制的数值模拟研究[D]. 何鸿涛.北京交通大学 2009
[5]常用湍流模型适用性分析及翼型VOF数值模拟[D]. 汪礼.华中科技大学 2007



本文编号：3195038