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.     

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.     

浸没边界格子Boltzmann方法的改进及转动圆柱绕流模拟

针对浸没边界格子Boltzmann方法计算效率不足的问题,提出一种改进浸没边界格子Boltzmann方法。通过使用作用力格子Boltzmann模型,并简化流固耦合作用力的计算方法,使计算流程得到简化,同时,对比原方法转动圆柱绕流计算结果,计算时间缩短一半以上,提高了数值计算效率。结合改进算法研究转动圆柱绕流的流场升阻力系数、压力系数、流场速度等流体参数场随转速比的关系,揭示了一定的转动圆柱绕流动力学规律。研究结果表明,改进方法准确可靠。     

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。     

二维圆柱绕流数值模拟

对于椭球体绕流问题，可以考虑利用二维切片法的思想将其剖成一个个圆剖面，研究圆剖面的二维流动问题即二维圆柱绕流问题。采用Fluent软件，分别用多种流动模型在高雷诺数下对定常和非定常状态的圆柱绕流进行了数值模拟，计算得到圆柱绕流的升阻力系数、分离点位置、Strouhal数、流函数等结果，并与文献中的实验结果进行了比较，得到相应比较合理的计算模型。     

海上风电场桩基的水动力特性

海上风力发电机对风电场水域的水动力特性等有重要影响,基于Open FOAM软件,采用改进的RANS模型对单圆柱的流动特性进行二维数值模拟。在不同雷诺数条件下模拟圆柱绕流,并对升阻力系数和流场进行分析。结果表明:圆柱绕流阻力系数的变化基本上表现为陡然增大和骤然减小,且周期性不明显;不同雷诺数下的阻力系数的变化规律相似,且振幅基本上相同;升力系数在0附近周期性波动,幅值不是很稳定,不同雷诺数条件下的幅值变化规律不同,变化范围相同;不同时刻圆柱对水流特性的影响不同,风机基础和该结构前端的尾流结构均与时间有关。     

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。     

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。     

无限长圆柱绕流的三维数值模拟

采用大涡模拟对亚临界区内(Re=3900)三维圆柱绕流现象进行了数值模拟研究,分析了圆柱体表面的受力以及圆柱后流场的时均特性与瞬时特性。结果表明,当Re=3900时圆柱体表面与流速方向相反的压力差引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,这使得圆柱表面的升力呈现"准周期性"的振动变化,并在圆柱后近流场出现了回流区。研究还发现圆柱周围的流动沿圆柱展向呈现出明显的三维特性。     

基于改进的浸没边界-格子Boltzmann方法的圆柱绕流仿真计算

基于Suzuki等人提出的浸没边界-格子Boltzmann方法,采用作用力格子Boltzmann模型,提出了一种改进的浸没格子Boltzmann算法。对比相同计算循环次数的圆柱绕流仿真结果发现,改进算法通过提高流场速度分布函数的计算精度来简化流固边界表面作用力计算方法,避免了使用迭代计算,简化了计算流程,使得在低雷诺数定常流动圆柱绕流仿真时,圆柱绕流流线的对称性得到了保证,计算更为稳定,且计算效率得到了显著提高。在定常流与非定常流的圆柱绕流仿真应用中,论文计算结果与其他文献中的结果吻合较好,表明了改进算法的有效性。     

基于DES模型的变截面圆柱绕流数值模拟

针对海洋结构物"卡门涡街"现象抑制或加强的不同用途,基于CFD方法,采用分离涡(DES)模型,对均匀来流下低雷诺数单圆柱绕流进行二维模拟,验证DES方法在低雷诺数时圆柱绕流模拟的可行性,开展低雷诺数下3种变截面圆柱绕流二维数值模拟研究,分别取特征长度D=0.07m,0.09m,0.12m,分析相应的升阻力系数、压力云图、涡量图等,得到不同流体参数和涡脱落形态变化规律。比较得出在二维模型下,当圆柱横截面特征长度改变时,"卡门涡街"现象会发生一定的加强或减弱,并从抑制或利用两个方面给出相应建议。     

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。