不等直径并列双圆柱绕流数值模拟研究

不等直径的多圆柱系统广泛应用于海洋工程中,为研究不等直径双圆柱之间的互扰效应。本文基于CFD方法,对不同间距比下的二维不等直径双圆柱进行了数值模拟。研究结果表明:当T/D≤3.0时,双圆柱尾流涡相互融合,互扰效应造成斯特劳哈尔数偏低,升力系数幅值随时间变化不稳定;当T/D 3.0时,两圆柱互扰较弱,圆柱水动力系数与单圆柱结果相差不大;T/D≈3.0可认为是临界间距比。本文成果有助于多圆柱流动控制技术研究。     

串列双圆柱涡激振动数值模拟

基于计算流体力学技术开展了低雷诺数Re=150条件下串列双圆柱单自由度涡激振动的数值模拟研究,分析了不同间距比L/D=1.5~5.0、约化速度V_r=3~13条件下串列双圆柱结构动力响应和尾流旋涡脱落特性.结果表明间距比的变化改变下游圆柱锁定区间.对于各个间距比下的上游圆柱其动力响应和单圆柱涡激振动基本相同,而对于下游圆柱其动力响应明显与单圆柱不同.研究还发现存在一个临界约化速度V_(r,crit),当V_rV_(r,crit)时,上游圆柱振幅大于下游圆柱振幅;而当V_rV_(r,crit)时,下游圆柱振幅大于上游圆柱振幅.此外,文中还对不同间距比条件下上、下游圆柱尾流旋涡脱落形态展开了相应的研究.     

不同来流角度下方形排列四圆柱的水动力特性

为研究不同来流角度下方形排列四圆柱的水动力特性,利用Fluent软件模拟雷诺数为3 900、来流角度不同时,临界间距比为2.0和3.5情况下的四圆柱互扰效应。通过数值模拟,重点分析来流角度发生变化引起的下游圆柱升阻力系数和尾流模态的改变,比较其在这个临界间距比下呈现出的不同特征。研究结果表明:随着来流角度的增大,在2种临界间距比下同号圆柱呈现出的阻力系数变化趋势的特点相似;2种间距比下圆柱的升力系数均表现出由离散到收敛的趋势,但具体特点有所差异;斯特鲁哈数在2种间距比下的特点存在明显不同。研究成果可供海上钻井平台等海洋结构物设计参考。     

三角形布置圆柱体群绕流特性与流动机理研究

基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(K_d)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明：不同流场下尾流模式分为单漩涡、单漩涡体向双漩涡过渡、不规则的双漩涡、规则的双漩涡、双漩涡向三漩涡过渡、不规则的三漩涡和规则的三漩涡模式,在α=30°时流场下游涡街更加规则,尾流模式转变更快。三圆柱所受的时均流体力系数受间隙流流速影响较大,各来流角度下随间距比(除小间距比外)的变化趋势基本一致,尾流模式转变会导致三圆柱群的流体力系数均方根值发生显著变化,在K_d≥3.5后上游圆柱流体力系数均方根值有较大起伏。除α=0°工况外,在K_d≥2.5后中游圆柱的涡脱落频率受α和K_d影响较小,数值相对稳定。     

高雷诺数下串列三圆柱绕流的大涡模拟*

三维圆柱绕流的研究主要关注仿真精度，且单圆柱尾涡结构的分析较多，对于串列三圆柱绕流特征的研究较少。使用FLUENT软件对雷诺数为2.25×106在不同间距比下串列三圆柱的湍流模型进行三维模拟。运用Gambit软件对流场进行建模，并对圆柱临近水域网格进行加密，对串列三圆柱进行三维大涡模拟（LES）；取间距比L/D（L为两圆柱间的距离，D为圆柱直径）为1.0、2.0和3.0，选取三维模拟中3个不同切面高度（距离水面0、2.25和4.40 m）研究速度场、压力场和涡量场的湍流特性。结果表明：三维模拟证实了表层的涡量变化显著，在连续圆柱后存在回流区域与间距比有强相关性；同时，3个不同切面的速度场变化较小，压力场变化甚微。     

亚临界雷诺数下串列三圆柱体绕流特性研究

基于流体计算软件Fluent,本文采用Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟(LES)方法,对Re=3900时串列三圆柱体群绕流进行了三维数值模拟.首先,通过求解单圆柱算例来验证计算模型及参数的正确性.然后,分析了间距比对三圆柱体群绕流特性的影响.数值结果表明:随着间距比的增大,剪切层会出现再附着、卷起再附着和无再附着三种形式,同时尾涡第一次卷起位置也会逐渐向上游移动.此外,圆柱体尾流区顺流向时均速度分布由"U"型变为"V"型,横流向时均速度近尾流区分布呈反对称,远尾流区反对称现象会逐渐减弱.在L/D=4.1～4.2范围内,串列三圆柱体群所受的流体力会发生突变.上中游圆柱体平均阻力系数会增大,与双圆柱体工况类似;然而,下游圆柱体会减小.最后,三圆柱体的升力系数主频率值基本一致,并随着间距比的增大而增大.     

高速双体船阻力特征及其应用

双体船的阻力特点是片体波系间相互有干扰。当处于有利干扰时，双体船的阻力小于两个单独片体的阻力之和。干扰的实质是片体间波系的横渡干扰。作者根据三种不同横剖面形状的高速双体船在不同间距比和排水量长度系数下的阻力试验资料，分析船型、间距比、排水量长度系数对阻力的影响，得到高速双体船的有利干扰起始点Fr0和片体间流动阻塞时的FrR0根据本文推荐的Fr0和FrR计算公式，可以选择恰当的航速、间距比和排水量长度系数以满足Fr0＜Fr＜FrR，使高速双体船处于低阻的有利干扰状态。     

质量比和阻尼比对不同工况下圆柱涡激振动的影响

基于流体计算软件STAR-CCM+中重叠网格和DFBI技术,在Re=150,UR=5条件下对单圆柱及串列不等直径圆柱涡激振动进行数值模拟。模拟中分别在较大范围内改变质量比(1～300)和阻尼比(0～1),获得了各工况下圆柱振动响应及受力与质量比和阻尼比的关系,分析了质量比和阻尼比对圆柱振动的影响及联系。结果表明：从整体来看,圆柱振动幅值和阻力随质量比和阻尼比的增加而降低,升力呈先升后降趋势。在小质量比下(m^*<20),圆柱振幅和受力受质量比和阻尼比影响较大,并随两参数的变化而快速变化;在较大质量比下,圆柱振幅和受力趋于稳定,几乎不再受质量比和阻尼比影响,流固耦合效应变弱。此外,还将参数m^*ζ值相同而m^*和ζ不同的圆柱响应数据进行对比,得出在低雷诺数下,相同m^*ζ的圆柱涡激振动响应呈相同的趋势。     

均匀流作用下双柔性异管径立管响应特性试验研究

本文进行了不同水动力外径双柔性立管的均匀流干涉试验研究.试验中双管布置形式分别为并列形式、串列形式和交错形式,其中并列形式及交错形式双管壁面间距为3D～5D,串列形式壁面间距为3D～8D,两立管对应雷诺数分别为8500和5400.试验采用布拉格分布光纤采集立管表面应变时历信息,进一步通过模态叠加法重构立管涡激振动位移响应.同时,本文分别对两立管横流向沿管长方向的位移RMS值和振动频率,以及横截面位移轨迹和顺流向位移最大值进行了分析研究.研究结果分析表明,并列形式两管发生干涉影响的范围与管径大小有关,管径越大干涉范围越大;交错形式下,处于尾流中的立管同时受到涡激振动和尾流诱导振动的影响;而串列形式某些管间距布置形式下,处于尾流中的立管主要受尾流诱导振动的影响.     

多向不规则波对两排四墩柱串列群墩结构作用的模拟研究

实际海洋中真实的波浪是多向不规则波,两排四墩柱串列群墩结构是工程中常用的结构形式之一。通过数值计算研究了在多向不规则波浪作用下,8根大尺度墩柱(墩柱直径D与波浪波长λ之比Dλ≥0. 15)以双排四墩串列形式布置时,墩柱上的波浪爬高、墩柱所受波浪力及群墩系数的变化规律。结果表明波浪方向分布对墩柱上的波浪爬高和墩柱所受波浪力都有影响。与相同波浪条件下单排串列墩柱相比,双排结构中墩柱所受正向力减小,横向力增大。群墩结构柱间距影响复杂,当墩柱中心距离与墩柱直径之比达到10时,群墩影响较小,可忽略。     

有限深度均匀水流中圆柱横向阻力影响特性

为解决规则圆柱桩群阻力计算问题，以指导涉及规则圆柱桩群的物理模型试验和数值模拟计算等工作，在归纳总结已有研究成果的基础上，通过先进的数显式测力设备和较为准确的悬浮测力法，对有限深度均匀水流中多圆柱横向等间距不同方式的排列桩群进行了阻力测试研究，得出了有限深度均匀水流中圆柱横向阻力影响特性规律，并归纳总结出了圆柱横向阻力影响系数的经验公式。通过大量的测试试验数据证实了这些研究规律的准确性、有效性及实用性，对工程实践具有参考价值。     

不同间距比方柱涡激运动特性研究（英文）

采用有限体积法对间距比为3.0,4.0,5.0的方形四立柱涡激运动特性进行了数值研究。着重探讨了间距比对振动幅值,升力系数频谱特性,涡脱模式的影响。引入动网格技术来实现立柱和流场之间的流—固耦合模拟。研究表明:三种间距比下,流向振幅随折合速度先增大后振荡。从升力系数谱分析,在不同折合速度下,系统能量出现多个或单个峰值,但能量相对仍比较集中。当间距比较小时,由于流场的干扰作用,柱体的尾涡结构凌乱而不规则;当间距比较大时,各柱体都有各自单独的涡街,但干扰现象依然存在。     

不同间距比方柱涡激运动特性研究

采用有限体积法对间距比为3.0,4.0,5.0的方形四立柱涡激运动特性进行了数值研究。着重探讨了间距比对振动幅值,升力系数频谱特性,涡脱模式的影响。引入动网格技术来实现立柱和流场之间的流—固耦合模拟。研究表明：三种间距比下,流向振幅随折合速度先增大后振荡。从升力系数谱分析,在不同折合速度下,系统能量出现多个或单个峰值,但能量相对仍比较集中。当间距比较小时,由于流场的干扰作用,柱体的尾涡结构凌乱而不规则;当间距比较大时,各柱体都有各自单独的涡街,但干扰现象依然存在。     

波浪作用下可渗沙质海床模型相似率研究*

海床渗流是海洋工程设计中重点考虑的因素之一，其影响着建筑物的稳定性，严重时还会引起海床液化。现有波浪与海床相互作用的有关研究尚未解决实验室内海床的模拟方法问题。基于此，进行波浪作用下可渗沙质海床模型相似率研究，通过系列波浪水槽物理模型试验，基于原型孔隙水压力与模型值相似的条件，提出实验室内模拟海床的相似准则。结果表明：沙质海床相似比尺与模型几何比尺的关系为λ海床=λ1/3。     

格子Boltzmann方法在串列双圆柱绕流数值模拟中的应用研究

基于格子Boltzmann方法,对二维静止串列双圆柱绕流进行了数值模拟,并将模拟结果与已有研究结果进行了对比分析。为提高计算效率和计算精度,采用了多块网格耦合算法,并在圆柱曲边界处采用了较为精确的边界处理方法。提取了圆柱的升阻力系数,讨论了圆柱间距对圆柱受力情况和尾流特征的影响。数值模拟在雷诺数Re=200条件下进行,对两圆柱中心间距为1.5~4.0D(D为圆柱直径)之间的典型间距进行了数值模拟,获得了圆柱升阻力系数以及尾流中涡和流线的变化,验证了临界间距的存在,模拟结果和已有研究结果符合得较好。     

有限深度均匀流中圆柱桩群绕流对流速的影响*

通过有限深度均匀流水槽试验研究不同圆柱桩群对均匀水流的绕流影响程度.通过多组试验研究数据对比分析得到圆柱桩群对均匀水流的影响规律;不同圆柱桩群对同样水流影响性质与程度的差别;不同圆柱桩群对水流流场影响范围的规律;圆柱桩群的阻流率、排架密度、桩群长度对水流流场的影响规律;不同流速的水流对圆柱桩群影响的反应规律;水流绕流圆柱桩群时,横向断面流速的变化规律等.研究分析还发现:桩群阻力是桩群影响水流的一个因素但非唯一因素,桩群的排列方式和桩群迎流角对水流流速的变化有不同程度的影响,且其影响程度大于阻力影响.     

圆柱桩群局部冲刷特性试验

通过在宽长水槽中进行的单向恒定均匀流作用下,不同桩群、不同流速或不同水深情况下的圆柱桩群局部动床冲刷对比试验研究,分析试验后水槽地形变化的资料发现：圆柱桩群局部冲刷非常复杂,圆柱桩群的存在极大地改变了原有的水沙运动状态,加剧了桩群所在底床泥沙的冲淤。圆柱桩群对其所在底床冲淤影响特性不能只用桩群阻力简单解释,而与圆柱排列形式关系最为密切、影响也最大,水流流速及水深的影响实际通过圆柱桩群对流场改变的性质及程度来反映。     

串列螺旋桨的模型系列试验和图谱设计方法

本文是作者关于串列螺旋桨方面的研究报告之一,它探讨了串列浆的重要参数(包括桨距比、叶错角以及前后桨的直径、螺距分布和配合、叶型和叶轮廓等)对其性能的影响,发表了两组串列螺旋桨系列试验图谱CLB4-40-2和CLB4-55-2,并给出了用图谱方法设计串列螺旋桨的框图。 对于直径不受限制的情况:在(1/2)B_p≥4时,串列桨的效率比相近盘面比的普通桨略高,最佳直径减少4％以上;对于直径受限制的情况:在(1/2)B_p≥4时,串列桨效率皆较相近盘面比的普通单桨为高,其效率增加量随功率系数(2/1)B_p的增大或直径系数δ的减小而增加。     

多向不规则波浪与大尺度双墩结构作用的研究

群墩结构是海洋工程中常见的结构形式,而实际海洋中的波浪是多向不规则波浪。研究波浪的方向分布对于大尺度群墩作用具有重要的意义。基于Linton和Evans提出的规则波与群墩作用理论,建立了多向不规则波浪对大尺度群墩作用的计算方法。通过与物理模型试验结果的对比,对数值计算结果进行了验证。进一步计算了多向不规则波浪与两个串列和并列墩柱布置的群墩作用时,墩柱所受的波浪力及群墩系数。结果表面波浪的方向分布对波浪力和群墩系数都有明显的影响,尤其是对横向力,实际工程应用时应考虑波浪的方向分布特性。     

定常流中不同淹没深度下水平圆柱载荷分析

基于CFD方法的数值模拟对水平圆柱与定常流相互作用的问题进行研究,首先建立含有自由液面的定常流条件下固定与刚体运动圆柱体的二维数值计算模型,在建立的模型中分别对不同淹没深度、不同流速、不同圆柱尺寸、不同雷诺数下水平圆柱的载荷进行分析计算.结果表明：随着圆柱淹没深度的增加,圆柱受力先增加后减小;靠近自由液面时,淹没深度是影响受力的重要原因,其中水平系数对淹没深度的敏感程度比垂向系数小,主要是由自由液面波动引起的反射和阻塞所导致;S/D<-2.5(S为圆心到水平面的距离,D为圆柱直径)时可以忽略自由液面的影响,固定与刚体运动圆柱体均在S/D=-1时水平系数达到最大,S/D=-0.5时,垂向系数达到最大;随着雷诺数的增加,运动圆柱水平系数平均值先增再减,垂向系数平均值不断减小.