【摘要】：在實(shí)際工程中出現(xiàn)的立管、平臺(tái)樁腿和大橋橋墩等簡(jiǎn)化成的單圓柱已經(jīng)成為現(xiàn)在海洋工程結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的基本單元之一,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)單相無(wú)限長(zhǎng)圓柱繞流展開(kāi)了大量的研究工作。但在較低雷諾數(shù)條件下,有限長(zhǎng)繞流、帶有自由液面的繞流以及自由液面和端部效應(yīng)相互作用下繞流的研究相對(duì)較少,此時(shí)流場(chǎng)的復(fù)雜性也對(duì)進(jìn)行試驗(yàn)研究提出了新的更大的挑戰(zhàn)。因此,采用合適的湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬顯得尤其重要,本文通過(guò)三維數(shù)值模擬,對(duì)上述三種情況下的繞流問(wèn)題進(jìn)行了研究對(duì)比分析。本文在經(jīng)典圓柱繞流的基礎(chǔ)上,首先對(duì)單相無(wú)限長(zhǎng)繞流進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算,然后對(duì)雷諾數(shù)Re=200、500及1000條件下的有限長(zhǎng)繞流、帶有自由液面的繞流以及自由液面和端部效應(yīng)相互作用下的圓柱繞流進(jìn)行數(shù)值模擬,此外還對(duì)雷諾數(shù)Re=5000、傅汝德數(shù)Fr=0.8時(shí)僅帶有自由液面的圓柱繞流進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)對(duì)繞流升阻力系數(shù)、流場(chǎng)速度分布、渦脫落頻率、液面高度變化、三維渦結(jié)構(gòu)的脫落形態(tài)以及瞬態(tài)流場(chǎng)云圖等水動(dòng)力特性的分析,結(jié)果表明端部效應(yīng)和自由液面單獨(dú)存在時(shí)都對(duì)尾流場(chǎng)產(chǎn)生了很大的影響,自由端極大地改變了圓柱的受力情況、流向時(shí)均速度在展向的分布同時(shí)抑制了漩渦的脫落;而自由液面僅對(duì)自由液面附近的流向時(shí)均速度的影響很大,并在自由液面附近產(chǎn)生了大量無(wú)規(guī)則的、小尺度渦,前駐點(diǎn)附近液面的最大高度、柱體前后液面差以及自由液面影響的最大水深與雷諾數(shù)尤其是傅汝德數(shù)有著密切的關(guān)系;自由液面和端部效應(yīng)相互作用下的流場(chǎng)融合兩者單獨(dú)作用下的特點(diǎn),分析某一具體的流動(dòng)特征時(shí)兩者的作用又各有側(cè)重,兩者相互作用下自由液面對(duì)圓柱受力情況的影響占主導(dǎo)地位,端部效應(yīng)對(duì)流向時(shí)均速度的影響更大,柱體后的渦管圖結(jié)合了兩者單獨(dú)作用下的特征,端部效應(yīng)對(duì)兩者相互作用下柱體前駐點(diǎn)附近的最大液面高度影響不大,但會(huì)使柱體后液面下降的最低高度有所上升,而且上升的幅度隨著雷諾數(shù)和傅汝德數(shù)的增加而增大,兩者相互作用下的繞流現(xiàn)象被限制在自由液面和自由端面之間相對(duì)較小的區(qū)域之中。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：P75
【圖文】：

3 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證幾何模型和邊界條件有限長(zhǎng)圓柱繞流現(xiàn)象的研究是建立在無(wú)限長(zhǎng)圓柱繞流的基礎(chǔ)上的，目前對(duì)柱繞流的研究相對(duì)較少，雷諾數(shù)對(duì)無(wú)限長(zhǎng)圓柱繞流而言是一個(gè)重要參數(shù)，多數(shù)內(nèi)容是對(duì)比相同雷諾數(shù)條件下的長(zhǎng)徑比和傅汝德數(shù)等的影響，因此本數(shù) Re=200、500 和 1000 的條件下的無(wú)限長(zhǎng)圓柱繞流都進(jìn)行了網(wǎng)格收斂性于本文研究的是處于無(wú)限大的水域中的結(jié)構(gòu)物，應(yīng)盡量減小邊界條件的影長(zhǎng)方體計(jì)算域，圓形計(jì)算域更加符合要求，而且后者在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)高易于控制長(zhǎng)寬比，網(wǎng)格具有更好的扭曲率和正交性。算域的示意圖如圖 3-1 所示，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置為圓柱中心，設(shè)定圓柱的直徑算域的直徑為 20D,在滿足展向高度要求的基礎(chǔ)上，綜合考慮后文兩相流的展向高度為 6D。

(b) 計(jì)算域正視圖圖 3-1 計(jì)算域示意圖入口設(shè)置為速度入口，均勻來(lái)流，出口采用自由出流，圓柱表面采用無(wú)滑移邊界條件，圓柱剛性無(wú)滑移，上下邊界采用對(duì)稱(chēng)邊界條件。網(wǎng)格劃分與結(jié)果驗(yàn)證本文分別采用三套加密程度不一的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格收斂性分析，確保每套網(wǎng)格在計(jì)算穩(wěn)定之后圓柱體的近壁區(qū)域的 Y plus 值滿足都小于或等于 1 的條件，時(shí)間步長(zhǎng)取為 0.001，得到時(shí)均升阻力系數(shù)，并對(duì)升力系數(shù)進(jìn)行傅里葉變換得到斯特勞哈爾數(shù) St，全部計(jì)算結(jié)果如表 3-1、表 3-2 和表 3-3 所示，然后將雷諾數(shù) Re=1000 和Re=200 的計(jì)算結(jié)果與其他研究者的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果或?qū)嶒?yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如表3-4 和表 3-5 所示。表 3-1 不同網(wǎng)格數(shù)下的繞流計(jì)算結(jié)果 （Re=1000）

為了對(duì)比有限長(zhǎng)圓柱繞流與無(wú)限長(zhǎng)圓柱繞流的流動(dòng)特性，以探究有限長(zhǎng)圓柱自由端面對(duì)流場(chǎng)的影響，本文首先對(duì)無(wú)限長(zhǎng)圓柱繞流的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。除了時(shí)均阻力系數(shù)和斯特勞哈數(shù)隨著雷諾數(shù)變化之外，雷諾數(shù)的影響在尾流場(chǎng)的瞬時(shí)特性和時(shí)均特性上也有顯著體現(xiàn)。在流場(chǎng)的變化穩(wěn)定之后，將流場(chǎng)的速度按時(shí)間取平均，取計(jì)算域下邊界即圓柱底面所在平面為 Z=0D 位置。(a) Re=200 時(shí)流向時(shí)均速度分布圖 (b) Re=500 時(shí)流向時(shí)均速度分布圖

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 胡春雷;喬世良;薛國(guó)桓;王玉來(lái);;低電阻端環(huán)電磁調(diào)速電機(jī)端部效應(yīng)分析及特性計(jì)算[J];中小型電機(jī);1987年02期

2 張鐘華 ,陸祖良;降低可動(dòng)屏蔽型計(jì)算電容端部效應(yīng)誤差的一個(gè)新方法(英文)[J];計(jì)量學(xué)報(bào);1982年04期

3 楊通;周理兵;;長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)縱向動(dòng)態(tài)端部效應(yīng)第一部分:氣隙磁場(chǎng)[J];電機(jī)與控制學(xué)報(bào);2014年04期

4 楊通;周理兵;;長(zhǎng)初級(jí)雙邊直線感應(yīng)電機(jī)縱向動(dòng)態(tài)端部效應(yīng) 第二部分:性能計(jì)算[J];電機(jī)與控制學(xué)報(bào);2014年08期

5 劉華麗;朱大勇;錢(qián)七虎;李宏偉;;邊坡三維端部效應(yīng)分析[J];巖土力學(xué);2011年06期

6 李翔;辛榮亞;張啟偉;;電磁無(wú)損檢測(cè)中橋梁纜索的端部效應(yīng)[J];城市道橋與防洪;2018年09期

7 滕國(guó)杰;感應(yīng)加熱的端部效應(yīng)分析[J];電爐;1984年01期

8 梁正召;吳憲鍇;唐世斌;王文琦;;基于各向異性界面單元的巖石端部效應(yīng)數(shù)值模擬[J];應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào);2018年03期

9 王換玉，張玉誠(chéng)，才鴻年;身管受端部效應(yīng)影響的主測(cè)試截面的選取原則[J];兵器材料科學(xué)與工程;1995年05期

10 王昊;張之敬;劉成穎;;永磁直線同步電機(jī)縱向端部效應(yīng)補(bǔ)償方法[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2010年36期

相關(guān)會(huì)議論文 前5條

1 韋鐵平;楊曉翔;郭金泉;姚進(jìn)輝;;柱式負(fù)荷傳感器的端面載荷分布和尺寸效應(yīng)對(duì)端部效應(yīng)的影響[A];2018年全國(guó)固體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集（上）[C];2018年

2 王士民;朱合華;馮夏庭;;脆性巖石破壞數(shù)值模擬研究的兩個(gè)問(wèn)題[A];第一屆中國(guó)水利水電巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集（上冊(cè)）[C];2006年

3 王猛;費(fèi)慶國(guó);張培偉;;基于單胞模型復(fù)合材料動(dòng)力荷載下彈性參數(shù)預(yù)測(cè)[A];第十九屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集[C];2016年

4 謝寶昌;王建輝;俞希遞;;永磁直線同步電動(dòng)機(jī)電磁力研究[A];第十一屆中國(guó)小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2006年

5 尤明慶;蘇承東;;大理巖試樣的長(zhǎng)度對(duì)三軸壓縮試驗(yàn)的影響[A];第九屆全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];2006年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 韋鐵平;測(cè)力疊加系統(tǒng)的端部效應(yīng)和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)研究[D];福州大學(xué);2015年

2 馬明娜;初級(jí)繞組分段永磁直線同步電機(jī)端部效應(yīng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

3 楊通;高速大推力直線感應(yīng)電機(jī)的電磁理論與設(shè)計(jì)研究[D];華中科技大學(xué);2010年

4 薛雁;壓電—壓磁夾層結(jié)構(gòu)的圣維南端部效應(yīng)研究[D];北京交通大學(xué);2014年

5 王燦飛;永磁開(kāi)關(guān)磁鏈直線電機(jī)研究[D];浙江大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 黃建明;自由液面和端部效應(yīng)作用下的鈍體繞流的數(shù)值模擬[D];華中科技大學(xué);2019年

2 葛健;同心籠次級(jí)直線雙饋電機(jī)端部效應(yīng)及運(yùn)行特性分析[D];華中科技大學(xué);2019年

3 張宇磊;液態(tài)金屬磁流體發(fā)電性能數(shù)值模擬研究[D];山東大學(xué);2019年

4 李天夢(mèng);永磁球形電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)端部效應(yīng)分析[D];天津大學(xué);2018年

5 方建國(guó);柔性卷板成形中起皺和端部效應(yīng)的數(shù)值模擬研究[D];吉林大學(xué);2008年

6 周奇;基于有限元分析的螺紋漏磁檢測(cè)方法研究[D];華中科技大學(xué);2006年

7 呂凌;大功率直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁計(jì)算及設(shè)計(jì)研究[D];華中科技大學(xué);2007年

8 黃波;直線感應(yīng)電機(jī)的電磁力研究[D];西南交通大學(xué);2007年

9 劉班;段間移相六相永磁直線伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué);2010年

10 王歡;直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的魯棒跟蹤控制研究[D];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2755232