近壁面圓柱繞流的漩渦脫落及水動力特性研究.pdf

1、由于海底表面易腐蝕，海水的沖刷作用會使海底管道與海底之間產生間隙，成為懸跨圓柱體結構。管道表面發(fā)生的周期性漩渦脫落現(xiàn)象導致管道表面的壓力變得非常不穩(wěn)定，從而引發(fā)渦激振動，破壞管道的結構安全。在研究管道漩渦脫落和預報水動力特性的時候，通常簡化成均勻流繞過近水平壁面圓柱體的數(shù)學模型。近壁圓柱繞流是海洋工程中重要的課題之一，以其可能影響漩渦脫落和水動力的參數(shù)眾多且作用復雜成為學者們研究的熱點。
　　遠海排污管道尺寸較大，其周圍流場為高雷

2、諾數(shù)湍流流場，相應的其漩渦脫落及水動力特性更為復雜。本文以此為選題背景，從工程實際出發(fā)，從圓柱邊界層動量，圓柱邊界層的三維效應和圓柱邊界層的能量三個方面研究了邊界層對近壁面圓柱繞流中漩渦脫落及水動力特性的影響，主要內容和結論如下：
　　(1)描述了近壁圓柱繞流的流動特性并列舉了主要特征參數(shù)，對該問題的發(fā)展歷程及研究進展做了回顧和總結，并提出研究中主要面臨的問題是影響圓柱尾流的參數(shù)較多，且無法確定每個參數(shù)的具體作用。介紹了計算高雷諾

3、數(shù)湍流的基本方法和湍流模型，并對網格無關性和湍流模型的選擇做了對比和研究。在雷諾數(shù)較低時(41.4?10)，標準k??模型和大渦模擬在計算平均受力和 St數(shù)上都表現(xiàn)出良好的準確性，大渦模擬在捕捉瞬時變化上更為準確。在較高雷諾數(shù)(51?10)時，標準k??模型表現(xiàn)出其占用計算資源少的優(yōu)勢。
　　(2)通過對多個有代表性的前人實驗做進行比較分析，指出除了目前學者主要討論的三種參數(shù)：雷諾數(shù)Re、平板壁面邊界層與圓柱直徑比?/ D和圓柱與

4、平板壁面的間距與圓柱直徑比G/ D外，由圓柱下表面邊界層形狀變化引起的動量變化也是重要的影響因素。根據圓柱繞流的渦泄原理和利用卡門動量積分方程對圓柱下表面邊界層動量變化的數(shù)學表達式進行推導，并據此提出邊界層的形狀因子 H作為研究近壁圓柱繞流問題的新參數(shù)。漩渦脫落的強弱程度影響圓柱表面水動力特性，用邊界層動量觀點很好的解釋了阻力、升力的基本變化趨勢。
　　(3)高雷諾數(shù)時湍流的三維效應強烈，如果不能保證計算域具有足夠的尺度，計算域壁

5、面將影響圓柱尾流。通過對計算域尺度的研究，確定在雷諾數(shù)Re=510時，計算域寬度為25D時，可以將壁面影響降到合理范圍之內。模擬了不同來流角度時圓柱體的漩渦脫落及水動力特性變化，用邊界層內的動量變化的觀點分析了水動力變化以及無關原則在大角度(45°以上)時可能出現(xiàn)失效的原因，從而將邊界層動量變化對流場的影響的適用性從二維效應拓展到三維效應。
　　(4)根據海洋中海水溫度變化的特點，依照現(xiàn)行規(guī)范對排海管道設計溫度的規(guī)定，模擬了不同來