并列双圆柱绕流的水动力特性研究
圆柱状的海洋工程结构(海洋立管、海底管线等)在深海海洋开发中有广泛的应用。海洋中的波浪、流流经柱体时,在柱体后形成交替脱落的旋涡,此现象称为圆柱绕流。交替脱落的旋涡会对柱体产生周期性的作用力并能引发振动,影响结构的稳固和安全。近几年随着油气开采向深海发展,出现了多个直径不等的圆柱体组合形式,比如“背负式”形式:在大直径柱体附近设置小直径柱体。密集排列的多柱体在圆柱绕流影响下容易发生相互碰撞,导致结构破坏。因此研究不等直径多柱体的绕流具有重要实际价值。不等直径多柱体的圆柱绕流不是单个圆柱绕流的叠加,直径比d/D(d和D分别为小大圆柱的直径)、间距比G/D(G为两圆柱表面之间的距离)和雷诺数Re均会对多柱体绕流产生影响。目前对不等直径并列双圆柱的数值研究中G/D和d/D的划分范围较小、划分间隔较大,且雷诺数对并列双圆柱的影响尚不明确。为进一步研究G/D、d/D以及雷诺数Re对并列双圆柱绕流的影响,本文对Re=3900情况下不等直径并列双圆柱的绕流进行了数值模拟,模拟采用的间距比G/D为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.5、2.0、2.5,直径比d/D为0.25、0.5、0.75、1.0。 本文分析了G/D和d/D对两柱体尾流形态、升阻力系数和斯特鲁哈数St的影响。结果表明随着G/D变化,尾流呈现出不同的形式,绕流参数值也随之变化。当0<G/D?0.2时,柱后只有一个涡脱落,为单一涡脱落区,升、阻力系数值快速变化,St值小于单柱St值;当0.2<G/D?0.5~1.0时,柱后出现交替的偏斜流,为偏斜流区,阻力系数随着G/D的增大呈波动变化,升力系数随G/D的增大逐渐减小,在临界间距比附近出现突变,St出现多个值;当0.5~1.0<G/D?2.5时,柱后有成对的旋涡,为双旋涡脱落区,升阻力系数和St值趋于稳定。 直径比d/D不同时,偏斜流区G/D的范围、小柱的尾流宽度、间隙流向大柱的偏斜程度等也不相同。 通过将本文的尾流形态、升阻力系数和斯特鲁哈数St与已有研究对比,研究了雷诺数Re对并列双圆柱的影响。研究表明:雷诺数增大导致涡的长度变长;不同雷诺数条件下,圆柱受到的力随间距比G/D的变化规律不同;偏斜流的交替偏斜现象并不是在任何雷诺数下均会发生。
并列双圆柱绕流;水动力特性;数值模拟
中国海洋大学
硕士
港口、海岸及近海工程
于定勇
2014
中文
P752;TV131.2
71
2015-04-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）