重力相似体系下串列双圆柱风速比尺修正系数的试验研究

在模拟风荷载的试验过程中,风速比尺的确定是一项必不可少的工作。串列圆柱群在现实的海洋建筑物中属于比较常见的构件群。所以本试验对不同工况下的串列等直径双圆柱进行了试验,研究了间距比和模型风速对受扰圆柱阻力系数干扰因子的影响。基于干扰下原型的理论阻力,分析了间距比、原型风速和几何比尺对风速比尺修正系数k的影响。试验结果表明:风速比尺修正系数与间距比、原型速度和几何比尺三个因素联合相关;受扰圆柱作为后柱时,干扰下的k值比单圆柱时大,间距比对k的影响没有明显规律,但干扰效应对k值的影响不可忽略。当λ_L=20~100时,不同的间距比下,风速比尺可不修正的原型风速和几何比尺取值有所不同。     

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。     

桩柱间距对桩柱上波浪荷载的影响

桩柱间距的大小直接关系到入射波对桩柱的作用力及对平台或上部结构的上托力。基于FLOW-3D建立三维数值波浪水槽,通过试验验证数值模型的准确性,研究4种波况下,桩柱间距L对作用在上游桩柱和下游桩柱波浪荷载的影响。结果表明：由于桩柱的相互影响,作用在两桩柱上顺向波浪荷载和横向波浪荷载均不同于孤立桩柱情形,群桩系数KG与桩柱间距L有密切关系,对于顺向群桩系数KGx,当桩柱间距L与其直径D的比值小于1.0时,上游桩柱顺向群桩系数KGxu＜1.0,下游桩柱顺向群桩系数KGxd＞1.0,两桩柱的横向群桩系数KGy可达3.0～4.0。随着间距的增加,KGxu逐渐增大、KGxd逐渐减小、KGy大幅减小。当L/D＞4.0时,基本可以忽略两桩柱的相互影响。     

基于高雷诺数的并联双圆柱绕流研究

文章采用基于边界瞬时涡量守候的拉格朗日方法(IVCBC),结合并列双圆柱的特点,建立了双圆柱绕流数值计算模型。对高雷诺数下Re=6×10~4,间隙率为T/D=1.1~7的并联圆柱双圆柱二维绕流特性进行了研究。提出了双圆柱间隙中点的速度区别宽窄尾流的新方法。分别讨论了流体力系数随间距增加的特点,脉动流体力的特点,尾流特征以及斯托哈尔数特征。研究发现:区别宽窄尾流的新方法是可靠的;在双圆柱尾流附近有五种尾流模型存在;同时发现了在宽窄尾流的频率,存在一个中间频率。     

单双圆柱涡激振动数值模拟研究

基于CFD方法,对质量比为7的单圆柱和并列双圆柱的涡激振动进行数值模拟研究,对单圆柱涡激振动的研究表明:其锁定区为4.8U_R7.6,在锁定区内旋涡发放频率被结构的固有频率锁定,位移与升力的相位差为零,圆柱的无量纲振幅急剧增大。在锁定区边缘,由于涡脱频率不能完全被结构的固有频率锁定,出现"拍振"现象。对并列双圆柱涡激振动的研究表明:流场充分发展达到稳定的时间随间距比的增大而增加,在3.0≤T~*≤4.0时,两圆柱的振动反相同步,在4.0T~*≤5.0时,两圆柱的振动不同步,T~*≈4为两圆柱振动是否同步的临界间距比。     

基于格子Boltzmann方法的船舶风力助推转子绕流特性

风力转子推进装置节能环保,降低推力成本,有利于船舶行业的绿色发展。基于多松弛格子Boltzmann方法,对并列风力助推转子绕流进行数值模拟。首先模拟单圆柱绕流的流动特性,以验证程序的可靠性,重点探究双圆柱的间距比和转速比对圆柱绕流特性的影响。获取圆柱的升阻力系数以及尾流流型,验证临界转速比的存在。结果显示:旋转可以有效地抑制涡的生成和脱落,当转速比达到临界转速比时,漩涡彻底消失,流场变得稳定;时均升力系数的绝对值和时均阻力系数随转速比的增大分别增大和减小。     

基于格子Boltzmann方法的船舶风力助推转子绕流特性

风力转子推进装置节能环保,降低推力成本,有利于船舶行业的绿色发展。基于多松弛格子Boltzmann方法,对并列风力助推转子绕流进行数值模拟。首先模拟单圆柱绕流的流动特性,以验证程序的可靠性,重点探究双圆柱的间距比和转速比对圆柱绕流特性的影响。获取圆柱的升阻力系数以及尾流流型,验证临界转速比的存在。结果显示:旋转可以有效地抑制涡的生成和脱落,当转速比达到临界转速比时,漩涡彻底消失,流场变得稳定;时均升力系数的绝对值和时均阻力系数随转速比的增大分别增大和减小。     

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。     

上游静止柱体对圆柱体结构尾激振动的影响

文章运用半隐式特征线分裂算子有限元算法对串列布置的静止上游柱体和下游圆柱的尾激振动问题进行了数值模拟研究。数值结果表明:上游柱体结构的形状、尺寸比(d/D)和折减速度(Ur)三个参数对下游圆柱体结构的动力响应、运动轨迹与涡脱落模态有着显著的影响,且与单圆柱工况相比存在明显区别;随着尺寸比的增大,上/下游柱体结构之间的互扰作用会由流致效应逐渐转变为尾流效应,使得频率特性发生变化,并会导致下游圆柱体结构的振动响应增强;当d/D=0.5和1.0时,下游圆柱体结构的运动轨迹主要为“8”字形;当d/D=1.5时,除了“8”字形外,运动轨迹还会呈现双弯刀形、“双8”字形和不规则形状。通过对流体力系数与位移时程曲线及位移PSD曲线特性进行分析,揭示了其相互作用的内在机理。另外,下游圆柱体结构的尾流场特性也会随参数的变化而变化,其涡脱落模态主要为2S、P+S和2P三种。     

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.     

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.     

不等间距加肋圆柱壳局域化效果预报及仿真验证

以有限长加肋圆柱壳为研究对象，获取不等间距加肋圆柱壳的局域化系数，并验证局域化系数理论公式的有效性。采用通频带近似法及等效参数识别技术，利用弹簧振子链系统的局域化理论公式预报不等间距加肋圆柱壳的局域化系数。基于不规则系统的波传递矩阵具有各态历经性，通过建立多个具有相同不规则程度的非等间距有限元模型获得振动场，分析振动能量在轴向位置的平均变化曲线获取衰减系数，与预报的结果进行对比，得到不等间距加肋圆柱壳的局域化系数，验证局域化系数理论公式作为统计平均的结果，当单元数量足够多时与预报结果比较吻合。研究表明，根据数值解析得到的通频带可以给出用于振动局域化系数计算的结构参数，基于各态历经性的模型验证方法可以很好地与理论结果拟合。局域化系数公式可以作为实际结构的定量化使用。     

并列弹性双圆柱体流体脉动力的实验研究

本文通过试验研究了并列弹性双圆柱体在均匀流场中的脉动压力及其动态响应，给出了双柱间距直径比T／D＝1．75，2．5，3．5和4．19×104＜Re＜9．1×104范围中柱表面脉动压力沿圆柱周向的分布以及脉动升力和阻力系数．试验结果表明，柱的振动对其脉动升力和阻力系数有明显的影响．     

不同水深条件下海上风机群桩基础局部冲刷特性

在清水状态下，对不同水深和间距比条件下的群桩局部冲刷进行了三维数值模拟研究。结果表明，水深（h）对冲刷特性的影响与间距比（G/D）有关。当G/D=2、4和5时，随着水深的增大，平衡冲刷深度小幅增大，当G/D=3时，随着水深的增大，平衡冲刷深度显著增大。随着间距比的增大，平衡冲刷深度非单调变化。G/D=2工况的平衡冲刷深度最大，群桩冲刷坑形成一个整体；G/D=3工况的平衡冲刷深度最小，下游桩柱周围冲刷不明显；G/D=4、5工况的平衡冲刷深度较大，且随间距比的增大而减小，各个桩柱的冲刷坑独立。     

孤立波作用下四立柱结构附近水动力特性研究

本文通过基于Navier-Stokes方程的三维数值模型模拟了孤立波与四立柱结构相互作用的水动力特征,考虑了不同入射波高和柱间间隙的影响,并通过物理实验对比验证了四柱结构附近的自由液面、流速和动水压强。随后运用该模型进一步分析了四立柱结构前后排圆柱上波浪的爬高、结构附近的流场和涡量、前后排圆柱表面的动水压强以及结构所受的总波浪力。研究结果表明:随着入射波高与静水深比值Hi/h的增加,前排圆柱相对最大爬高增大,后排圆柱的相对爬高变化不明显,四立柱结构相对总波浪力则减小;当圆心距与柱直径的比值S/D 2.4时,前排圆柱的相对最大爬高随S/D的增大而减小,而后排圆柱则随之增大,相对总波浪力亦随之减小,四立柱结构整体背浪面形成尾涡对,前后排圆柱迎浪面动水压强的分布存在显著差异;当S/D≥2.4时,前后排相对最大爬高趋于一致,相对总波浪力趋于常值,单个圆柱后的尾涡可以独立地发展,前后排圆柱动水压强沿水深的分布相似。同时,本文通过回归分析得出了相对波浪爬高和相对总波浪力随Hi/h与S/D变化的幂函数型经验关系式。     

不同深度V沟槽结构的圆柱绕流减阻机理

在圆柱表面布置不同深度的V形沟槽,采用k-ω/SST湍流模型进行数值计算,研究其减阻效果,分析圆柱表面的升力系数、阻力系数、速度分布及尾流漩涡脱落状态.结果 表明,与光滑圆柱表面相比,V形沟槽深度为0.04D的减阻效果最好,阻力系数相对于光滑圆柱表面减小了34.4％.当沟槽深度为0.04D时,升力系数的均方差最小,相对于光滑圆柱表面减小了16％;随着沟槽深的增加,St先增大后减小,当沟槽深为0.04D或0.05D时,漩涡脱落频率发生明显变化;当沟槽深度为0.04D时,圆柱前后速度差最小.随着槽深的增加,尾流漩涡表现出强度减小数量增多的趋势,当槽深为0.05D时,漩涡脱落呈双稳态.     

近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析

[目的]为探讨近壁旋转圆柱尾流及流体力特性,对典型间隙比下旋转圆柱绕流进行研究。[方法]对雷诺数Re=200下3种典型间隙比（G/D=0.2,0.8,1.4）的旋转圆柱绕流展开数值模拟,对比不同间隙比和转速比下的圆柱尾流及流体力特性。[结果]结果显示：当G/D=0.2时,圆柱表面脱涡会受到显著抑制,圆柱表面升阻力无波动;当G/D=0.8和1.4且转速比较低时,会发生“尾流涡”脱落现象,其结构与2S模式相似,升阻力系数呈正弦周期性波动,振幅较小;当正旋转速较大时,圆柱表面无漩涡脱落,形成稳定的D模式尾流（随转速比增大由D+模式变为D-模式）,“尾流涡层”与“壁面涡层”发生分离,“壁面涡”呈现多周期性脱落现象,升阻力系数呈多周期波动,振幅显著增大;当反旋转速较大时,圆柱表面被一层正涡量的涡层包裹,漩涡脱落受到显著抑制,升阻力无波动。[结论]所得结论可为高效流动控制技术发展提供参考。     

肋骨非均匀排列的圆柱壳振动特性研究

研究了肋骨非均匀排列对加肋圆柱壳振动特性的影响。首先,以安德森定域效应的原理为基础,肋骨间距为随机分布,分析了肋骨非均匀排列时圆柱壳的振动特性,然后,采用两种肋骨间距,交替排列,构造整个圆柱壳的肋骨不等间距排列形式,两种肋骨间距的确定方法是:保持两种肋骨间距的总和不变,逐步增大两者的间距差,从而增加相邻的肋骨间的两个圆环结构的固有频率差,直至固有频率差趋于不变,最终确定了两种肋骨间距。分别计算并对比分析了肋骨等间距和不等间距排列的圆柱壳的均方振速,结果表明:肋骨不等间距排列具有一定的减振效果。     

并列双圆柱绕流中宽窄尾流的识别方法

采用基于边界瞬时涡量守恒(IVCBC)的纯拉格朗日涡方法,结合并列双圆柱的结构特点,建立双圆柱绕流数值计算模型。在间隙率T/D=1.1~2.6时,并列双圆柱绕流会出现宽尾流(WW)和窄尾流(NW)现象。利用两圆柱间隙中心点的诱导速度方向与间隙流的偏转方向同步的特性,提出一种区别宽、窄尾流的数值计算方法;比较间隙流的偏转方向与该间隙中点的速度偏转方向,并进行典型的算例分析。结果表明:该方法能准确区别宽尾流和窄尾流,可为数值研究这一特殊区域的流体特征提供重要的数值计算方法。     

肋骨不等间距布置对圆柱壳振动特性的影响

本文研究了肋骨不等间距排列对加肋圆柱壳振动的抑制作用。采用2种肋骨间距,交替排列,构造整个圆柱壳的肋骨不等间距排列形式,2种肋骨间距的确定方法是:保持2种肋骨间距的总和不变,逐步增大两者的间距差,从而增加相邻的肋骨间的2个圆环结构的固有频率差,直至固有频率差趋于不变,最终确定了2种肋骨间距。分别计算并对比分析了肋骨等间距和不等间距布置的圆柱壳的均方振速,结果表明:肋骨不等间距排列可以降低圆柱壳高频振动。