海上平台支撑柱绕流特性的大涡模拟分析

海上平台是开采海洋资源的关键建筑,而支撑柱在平台中起着至关重要的作用。本文建立在海水作用下支撑柱做单圆柱绕流、串列双圆柱绕流和并列双圆柱绕流的二维流场模型,运用大涡模拟方法,对这3种模型进行数值模拟,得出其瞬时流场速度云图和圆柱受力特性曲线图。模拟计算层流和湍流情况下的圆柱绕流,通过模拟结果分析流场、升力系数和阻力系数的变化规律。     

分离涡模拟在亚临界区风场圆柱绕流中的适用性研究

圆柱绕流问题一直是流体力学领域热门的研究对象,本文基于ANSYS Fluent软件,采用分离涡模拟(DES)的湍流模型,以连续性方程和N-S方程为控制方程,对亚临界区流动状态风场下的圆柱绕流问题进行了数值模拟。主要分析了圆柱阻力系数,Strouhal数,圆柱后绕流速度分布及涡量大小。计算结果表明DES湍流模型可有效描述流场的三维特性,与之前的实验和模拟结果吻合,验证了DES模型在亚临界区用于风场绕流问题的有效性。DES模型较于大涡模拟和雷诺平均法在计算效率和准确性上有一定优势。     

圆柱绕流研究进展及展望

圆柱绕流问题广泛存在于水利工程、建筑工程和环境工程之中。通过对前人圆柱绕流研究的成果整理和分析,将其分为解析研究、物理模型研究和数值模拟研究3个阶段,总结了单圆柱、双圆柱以及圆柱群绕流在流动形态和圆柱受力特性方面的研究进展。分析发现,现有研究主要集中于简单条件下单柱和双柱的受力特性和尾流流场结构,今后需进一步开展柱群在海洋立管、高桩码头和环境工程等复杂条件下的研究,开发尾流形态的主动控制技术。     

桥墩周围紊流区宽度研究

通过数值模拟的研究方法,就桥墩附近的紊流区宽度展开了研究,利用圆柱绕流的研究成果,使用紊流理论,借助大型流场分析计算软件FLUENT,对桥墩周围水流流场进行模拟,分析计算了单圆柱桥墩和双圆柱桥墩群在不同水流条件下周围的紊流区宽度,得到一些有意义的结果.     

三维有限长圆柱绕流数值模拟

[目的]为探究有限长圆柱绕流的流动机理和特性,[方法]采用大涡模拟(LES)数值模型并结合涡识别方法,对三维有限长圆柱绕流进行数值模拟,并对有限长圆柱绕流进行验证和分析。[结果]模拟结果表明,有限长圆柱回流区相对较短,自由端的下洗作用会扰乱卡门涡街,导致阻力系数损失;相对于固定壁面,自由端面对顺流向速度影响更大;自由端面"蘑菇"涡成对出现,且存在2个流动源点;有限长圆柱流场存在更明显的三维特性,阻力系数更小;圆柱自由端后存在梢涡,圆柱与固定壁面交界处存在"马蹄"涡。[结论]所得结果可对有限长圆柱的流动特性进行相对全面的描述,对于理解和研究有限长圆柱绕流机理具有一定的参考价值。     

亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟

基于RNG k-ε模型,采用有限体积法对亚临界雷诺数条件下(Re=3×102~3×105)的二维单圆柱和单方柱绕流进行数值模拟与仿真。得到了圆柱和方柱绕流阻力系数Cd与Strouhal数随雷诺数的变化规律。同时对雷诺数Re=22 000下的圆柱、方柱绕流相关特性进行详细对比分析。计算结果表明:同一雷诺数下,单圆柱绕流阻力系数Cd较单方柱低,但圆柱的Strouhal数较单方柱则要高。虽然二者边界层分离点不同,但流场的演变与漩涡的脱落具有一定相似特性。     

基于DES方法的三维圆柱受迫振动数值模拟

基于OpenFOAM平台对雷诺数3900下的三维固定圆柱绕流和雷诺数30000下的三维圆柱受迫振动进行数值模拟,对湍流的模拟采用SA-DDES离散涡模型.针对三维圆柱绕流问题,采用PISO算法耦合求解速度-压力场,对圆柱绕流的基础参数如St数、平均阻力系数和平均升力系数等与试验进行了比较,结果吻合良好.针对三维圆柱受迫振动问题,采用PIMPLE算法耦合求解速度-压力场,对不同频率下振幅比为0.3的阻力系数、尾涡形态进行了计算,阻力平均系数与实验值相比吻合较好.     

加装来流侧分隔板的圆柱绕流三维数值模拟研究

基于Open FOAM开源平台,采用基于剪切应力运输的分离涡模拟,即SST-DDES方法,对不可压缩粘性流体的三维圆柱绕流问题进行了数值模拟。在此基础上,对长径比为π的圆柱加装位于来流侧的刚性分隔板。分隔板流向长度范围为0.5～2.0倍圆柱直径,厚度为0.078倍圆柱直径。在雷诺数Re=3 900情况下,进一步对加装来流侧分隔板的圆柱三维绕流情况进行数值模拟。由于涡旋结构在刚性分流板两侧沿表面向圆柱前壁移动,改变了圆柱的来流条件及圆柱表面压力的分布,基于数值模拟结果,分析其旋涡脱落周期、升阻力系数及圆周压力曲线,以讨论相比于裸圆柱情况,分析不同长度的来流侧分隔板在该雷诺数下对圆柱绕流流场的影响,并分析分隔板影响圆柱绕流流场的相关机理。     

三维圆柱体绕流数值模拟流场选择及网格划分

文章通过数值模拟结果确定适合的三维圆柱体绕流流场的尺寸,采用不同的计算流体力学(CFD)软件对有限元模型进行网格划分,对比网格划分质量的优劣,选择适合数值模拟的软件CFX。确定采用的网格形式为六面体网格(Hex8)以及流场不同部分网格的尺寸。圆柱绕流展向各截面平均压力系数沿周向无明显变化,脉动压力系数变化显著,绕流后的旋涡发放形式具有明显的三维特性的数值模拟结果验证了本文的流场选择和网格化分尺度的合理性。     

并列双圆柱绕流的动力学模态分解

本文对双圆柱绕流的卡门涡街现象进行了非稳态数值仿真,使用动力学模态分解方法(dynamic mode de?composition,DMD)对仿真得到的圆柱绕流涡量数据进行了分析和流场预测,研究了不同奇异值截断阶数对预测效果的影响.结果表明:利用DMD方法可以较准确地获得非稳态流动过程中涡量数据的模态结构和对应模态的频率、振幅;与稳定的周期阶段相比,用DMD方法分析处于不稳定周期阶段的圆柱绕流流场特征较困难;增加截断的奇异值数目在完善流场特征的同时也可能造成流场还原效果变差.     

关于圆柱绕流水动力特性的大涡数值模拟研究

基于有限体积法建立描述不可压缩粘性流体三维运动的数学模型,引入浸入边界法的无滑移固定壁边界条件和大涡数值模拟的Smagorinsky．Lilly亚格子模型,针对层流（Re=100）和湍流（Re=3900）状态下的圆柱绕流流场进行数值模拟研究,验证结果表明该方法能较有效模拟非定常圆柱绕流流场的形态。在层流状态下圆柱体下游存在形态清晰的卡门涡街结构且无明显的掺混现象;在Re=3900的湍流状态下圆柱下游的掺混现象显著增强,圆柱下游约1．0D处的脉动强度达到最大值。     

基于时间步长自适应技术的海上浮基风电平台绕流数值模拟分析

圆柱绕流问题对于研究海上浮基风电平台在波浪和海流作用下的动力特性以及开发深海风能具有重要的理论和工程应用价值,很多不可压缩流体力学数值模拟方法都基于圆柱绕流的实验或计算结果进行验证。基于自适应时间步长理论及小雷诺数（Re=100）情况下,采用有限体积法,借助FLUENT软件中的用户自定义（UDF）功能,通过二次开发在FLUENT中实现圆柱绕流的数值模拟,并对计算结果与先前的研究结果作了比较,依此来验证时间步长自适应技术和精细边界层网格设计的合理性。计算结果表明了该方法能有效获得准确的流体动力学参数并提高数值模拟计算精度,为该领域的深入研究提供依据。     

结合亚格子模型的Lattice-Boltzmann算法

介绍一种亚格子模型与LB(Lattic-Boltzmann)方法相结合的算法,并用其对亚临界雷诺数情况下的圆柱绕流问题进行数值模拟,得到流场的流线图以及圆柱表面的压力系数。通过与实验值相比较,发现数值结果与实验值是比较吻合的,证明该算法可以用于计算雷诺数较大的流体问题,同时具有LB方法计算效率高的优点。     

规则波作用下方形排柱附近水流特性数值模拟

为研究规则波作用下方形排柱附近流动特性,基于计算流体力学软件FLOW-3D,运用质量源造波方法,离散RNG k-ε方程控制下的雷诺时均Navier-Stokes方程建立无反射三维数值波浪水槽.与物理模型试验结果对比,建立的数值模型性能良好.运用数值计算结果,分析排柱周围自由表面三维运动特征和方形排柱周围速度场与涡量场分...     

具有自由液面效应的圆柱绕流三维数值模拟

基于计算流体力学软件CFX、应用RNG k-ε湍流模型、结合流体体积法(VOF法)模拟均匀流场中半沉浸三维圆柱运动,分析自由液面对圆柱尾迹以及圆柱表面水动力特征参数的影响。结果表明:在自由液面流场中,雷诺数较高时,自由液面对流场流动的影响较小;而雷诺数一定时,自由液面对流场的影响随着傅汝德数的增加而增加;在自由液面作用下,圆柱的时均阻力系数和时均压力系数随流场的傅汝德数和雷诺数的增加而减小。     

基于STAR-CCM+的潜艇周围复杂流场数值模拟

为研究潜艇周围复杂的流场分布,本文基于STAR-CCM+软件平台,结合SST k-?模型,通过求解Navier-Stokes方程,分别对均匀来流以及非均匀来流这两种来流方式下潜艇做直航运动以及斜航运动这四种工况下的周围流场进行数值模拟.首先计算了均匀来流下潜艇做直航运动时不同航速下的阻力以及表面不同位置处压力系数及摩擦阻力系数分布,与实验结果符合良好.接下来对四种工况下潜艇周围流场中的漩涡分布,尤其对位于指挥台围壳与尾翼这些附体附近区域的漩涡分布进行了分析,同时还计算了非均匀来流情况不同速度分布形式下潜艇的受力以及力矩,为潜艇平台回收AUV时路线选择提供参考.     

改进的基于特征线的N-S方程算子分裂有限元法

基于特征线的Navier-Stokes（N-S）方程算子分裂有限元法（CBOS有限元法）的核心是在每一个时间层上,采用算子分裂法将N-S方程的对流项和扩散项分开求解;对流项的求解过程借鉴了简单显式特征线时间离散,显式求解。该文在原CBOS有限元法基础上推导了一种更加精确的对流项显式离散方法。通过自编程序对方腔流进行数值模拟,表明该算法具有更高的计算精度。低雷诺数下圆柱绕流计算所得的阻力系数、升力系数、斯特劳哈数等与已有数据较为接近,表明该文中算法能较准确地模拟圆柱绕流的流场特性;最后,文中分析了Re=200时圆柱绕流在一个周期内所受升力变化与对应流场中压力和流线演化的关系。     

基于CFD的半潜式钻井服务支持平台拖航阻力数值分析

通过分离涡模拟法（detached eddy simulation,DES）对半潜式钻井服务支持平台拖航阻力进行了研究,重点对平台拖航阻力、阻力系数和平台表面附近流场分布等特性进行了研究。研究表明：流方向下平台各结构所受阻力各不相同,下浮体占据总阻力比最大（尤其是90°来流方向下）。阻力系数及升力系数时历曲线变化具有“脉动性”。通过平台表面附近流场分布可以分析涡形成及受力原因,逆方向流及涡之间相互作用使得阻力有所减小。