【摘要】：本論文在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上對(duì)海洋工程中的若干小尺度水動(dòng)力問題開展了數(shù)值研究。 文中首先對(duì)目前海洋工程中的常用水動(dòng)力模型進(jìn)行了概述,指出：對(duì)于需要考慮流動(dòng)中粘性耗散、渦旋運(yùn)動(dòng)和湍流效應(yīng)的工程問題,有關(guān)的數(shù)值計(jì)算必須在N-S方程的基礎(chǔ)上結(jié)合適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ图右蚤_展。同時(shí),文中還對(duì)相關(guān)的湍流理論、模型發(fā)展以及計(jì)算流體力學(xué)的基本方法進(jìn)行了總結(jié)。 在本論文的第二章,對(duì)文中所要用到的基本湍流模型——雷諾平均的非線性k-e模型、重整化群湍流模型以及大渦模擬方法進(jìn)行了介紹,并結(jié)合層流態(tài)N-S方程的三步有限元數(shù)值離散給出了基本流動(dòng)模型的時(shí)空離散方法。 論文的第三章以Laplace方程的微分網(wǎng)格生成、方腔拖曳流、槽道中方形障礙物繞流、后臺(tái)階繞流,圓柱繞流等問題對(duì)基本有限元程序、代數(shù)方程組的求解效率以及湍流模型的數(shù)值可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。在第三章的最后,進(jìn)一步對(duì)帶橫隔板的圓柱繞流問題進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,對(duì)其尾跡區(qū)的渦旋演化特征進(jìn)行了探討。 本論文的第四章對(duì)低雷諾數(shù)下圓柱繞流的橫向振蕩力開展了流動(dòng)控制研究,目的在于建立一種流動(dòng)控制措施,使之能夠有效減小圓柱所受橫向振蕩力的幅值,這對(duì)于減小海洋工程中鈍體結(jié)構(gòu)渦激振蕩問題的危害具有實(shí)際意義。本論文借助于N-S方程的數(shù)值求解,給出了通過圓柱受力特征來實(shí)時(shí)調(diào)整圓柱的旋轉(zhuǎn)速度,進(jìn)而達(dá)到壓制橫向振蕩力的后饋型流動(dòng)控制措施。該流動(dòng)控制措施實(shí)現(xiàn)過程簡單、對(duì)流場的擾動(dòng)較小,其本質(zhì)是通過旋轉(zhuǎn)圓柱改變繞流尾跡區(qū)渦流場的演化過程,縮小渦旋分離相位差來減小橫向力幅值。經(jīng)多組數(shù)值試驗(yàn)研究證明：本論文提出的流動(dòng)控制措施可將橫向力幅值壓制到50%以下。 論文第五章主要針對(duì)海底管線附近底床的沖刷問題開展了數(shù)值研究工作。分別以雷諾平均的非線性k-ε模型、重整化群湍流模型結(jié)合預(yù)網(wǎng)格剖分的邊界擬合技術(shù)和臨界壁面剪切應(yīng)力對(duì)海底管線附近底床的沖刷平衡剖面進(jìn)行了數(shù)值模擬,數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合較好。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步結(jié)合大渦模擬的流場計(jì)算結(jié)果對(duì)沖刷發(fā)生的力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了分析,指出：在建立沖刷數(shù)值模型時(shí),必須注意湍流模型與泥沙擴(kuò)散方程的搭配使用問題。文中同時(shí)以RNG湍流模型對(duì)沖刷初期管涌現(xiàn)象與水平壓力梯度的關(guān)系進(jìn)行了研究。 本論文第六章建立了一個(gè)通用自由表面湍流動(dòng)數(shù)值模型——FEM-LES-VOF,首次實(shí)現(xiàn)了有限元、大渦模擬和流體體積的混合算法。FEM-LES-VOF模型的主要優(yōu)點(diǎn)是：能夠適應(yīng)于任意復(fù)雜固壁邊界條件、對(duì)自由表面的捕捉可在非規(guī)則網(wǎng)格系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)、能夠比較準(zhǔn)確地反映出自由表面流動(dòng)過程中的渦流場特征。通過對(duì)潰壩流動(dòng)以及水流通過半圓形障礙物等的數(shù)值計(jì)算表明：FEM-LES-VOF模型能夠?qū)?fù)雜情況下的自由表面湍流動(dòng)過程給出較好的模擬結(jié)果。文中也將FEM-LES-VOF模型推廣到兩相流問題中,這對(duì)進(jìn)一步研究海洋水氣界面的細(xì)部流動(dòng)特征具有實(shí)際意義。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號(hào)】：O241.82;P75

【引證文獻(xiàn)】

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2 唐國強(qiáng);立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬方法及物理模型實(shí)驗(yàn)[D];大連理工大學(xué);2011年

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1 仇正中;波浪對(duì)海底管線作用的數(shù)值模擬[D];大連理工大學(xué);2011年

2 王海嬌;基于特征線的N-S方程算子分裂有限元方法（CBOS法）[D];大連大學(xué);2011年

3 張友林;海洋立管渦激振動(dòng)抑制方法研究[D];江蘇科技大學(xué);2011年

4 李明明;深水多跨管道VIV疲勞評(píng)估[D];哈爾濱工程大學(xué);2011年

5 張樺;海底管道周圍海床沖刷及管道受力的數(shù)值模擬[D];大連理工大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：2623103