近壁面圓柱繞流的漩渦脫落及水動(dòng)力特性研究.pdf

1、由于海底表面易腐蝕，海水的沖刷作用會(huì)使海底管道與海底之間產(chǎn)生間隙，成為懸跨圓柱體結(jié)構(gòu)。管道表面發(fā)生的周期性漩渦脫落現(xiàn)象導(dǎo)致管道表面的壓力變得非常不穩(wěn)定，從而引發(fā)渦激振動(dòng)，破壞管道的結(jié)構(gòu)安全。在研究管道漩渦脫落和預(yù)報(bào)水動(dòng)力特性的時(shí)候，通常簡(jiǎn)化成均勻流繞過(guò)近水平壁面圓柱體的數(shù)學(xué)模型。近壁圓柱繞流是海洋工程中重要的課題之一，以其可能影響漩渦脫落和水動(dòng)力的參數(shù)眾多且作用復(fù)雜成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。
　　遠(yuǎn)海排污管道尺寸較大，其周圍流場(chǎng)為高雷

2、諾數(shù)湍流流場(chǎng)，相應(yīng)的其漩渦脫落及水動(dòng)力特性更為復(fù)雜。本文以此為選題背景，從工程實(shí)際出發(fā)，從圓柱邊界層動(dòng)量，圓柱邊界層的三維效應(yīng)和圓柱邊界層的能量三個(gè)方面研究了邊界層對(duì)近壁面圓柱繞流中漩渦脫落及水動(dòng)力特性的影響，主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　(1)描述了近壁圓柱繞流的流動(dòng)特性并列舉了主要特征參數(shù)，對(duì)該問(wèn)題的發(fā)展歷程及研究進(jìn)展做了回顧和總結(jié)，并提出研究中主要面臨的問(wèn)題是影響圓柱尾流的參數(shù)較多，且無(wú)法確定每個(gè)參數(shù)的具體作用。介紹了計(jì)算高雷諾

3、數(shù)湍流的基本方法和湍流模型，并對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和湍流模型的選擇做了對(duì)比和研究。在雷諾數(shù)較低時(shí)(41.4?10)，標(biāo)準(zhǔn)k??模型和大渦模擬在計(jì)算平均受力和 St數(shù)上都表現(xiàn)出良好的準(zhǔn)確性，大渦模擬在捕捉瞬時(shí)變化上更為準(zhǔn)確。在較高雷諾數(shù)(51?10)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)k??模型表現(xiàn)出其占用計(jì)算資源少的優(yōu)勢(shì)。
　　(2)通過(guò)對(duì)多個(gè)有代表性的前人實(shí)驗(yàn)做進(jìn)行比較分析，指出除了目前學(xué)者主要討論的三種參數(shù)：雷諾數(shù)Re、平板壁面邊界層與圓柱直徑比?/ D和圓柱與

4、平板壁面的間距與圓柱直徑比G/ D外，由圓柱下表面邊界層形狀變化引起的動(dòng)量變化也是重要的影響因素。根據(jù)圓柱繞流的渦泄原理和利用卡門動(dòng)量積分方程對(duì)圓柱下表面邊界層動(dòng)量變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)，并據(jù)此提出邊界層的形狀因子 H作為研究近壁圓柱繞流問(wèn)題的新參數(shù)。漩渦脫落的強(qiáng)弱程度影響圓柱表面水動(dòng)力特性，用邊界層動(dòng)量觀點(diǎn)很好的解釋了阻力、升力的基本變化趨勢(shì)。
　　(3)高雷諾數(shù)時(shí)湍流的三維效應(yīng)強(qiáng)烈，如果不能保證計(jì)算域具有足夠的尺度，計(jì)算域壁

5、面將影響圓柱尾流。通過(guò)對(duì)計(jì)算域尺度的研究，確定在雷諾數(shù)Re=510時(shí)，計(jì)算域?qū)挾葹?5D時(shí)，可以將壁面影響降到合理范圍之內(nèi)。模擬了不同來(lái)流角度時(shí)圓柱體的漩渦脫落及水動(dòng)力特性變化，用邊界層內(nèi)的動(dòng)量變化的觀點(diǎn)分析了水動(dòng)力變化以及無(wú)關(guān)原則在大角度(45°以上)時(shí)可能出現(xiàn)失效的原因，從而將邊界層動(dòng)量變化對(duì)流場(chǎng)的影響的適用性從二維效應(yīng)拓展到三維效應(yīng)。
　　(4)根據(jù)海洋中海水溫度變化的特點(diǎn)，依照現(xiàn)行規(guī)范對(duì)排海管道設(shè)計(jì)溫度的規(guī)定，模擬了不同來(lái)