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《大连理工大学》 2006年
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海洋工程中小尺度物体的相关水动力数值计算

吕林  
【摘要】:本论文在Navier-Stokes方程的基础上对海洋工程中的若干小尺度水动力问题开展了数值研究。 文中首先对目前海洋工程中的常用水动力模型进行了概述,指出:对于需要考虑流动中粘性耗散、涡旋运动和湍流效应的工程问题,有关的数值计算必须在N-S方程的基础上结合适当的湍流模型加以开展。同时,文中还对相关的湍流理论、模型发展以及计算流体力学的基本方法进行了总结。 在本论文的第二章,对文中所要用到的基本湍流模型——雷诺平均的非线性k-e模型、重整化群湍流模型以及大涡模拟方法进行了介绍,并结合层流态N-S方程的三步有限元数值离散给出了基本流动模型的时空离散方法。 论文的第三章以Laplace方程的微分网格生成、方腔拖曳流、槽道中方形障碍物绕流、后台阶绕流,圆柱绕流等问题对基本有限元程序、代数方程组的求解效率以及湍流模型的数值可靠性进行了验证。在第三章的最后,进一步对带横隔板的圆柱绕流问题进行了数值计算,对其尾迹区的涡旋演化特征进行了探讨。 本论文的第四章对低雷诺数下圆柱绕流的横向振荡力开展了流动控制研究,目的在于建立一种流动控制措施,使之能够有效减小圆柱所受横向振荡力的幅值,这对于减小海洋工程中钝体结构涡激振荡问题的危害具有实际意义。本论文借助于N-S方程的数值求解,给出了通过圆柱受力特征来实时调整圆柱的旋转速度,进而达到压制横向振荡力的后馈型流动控制措施。该流动控制措施实现过程简单、对流场的扰动较小,其本质是通过旋转圆柱改变绕流尾迹区涡流场的演化过程,缩小涡旋分离相位差来减小横向力幅值。经多组数值试验研究证明:本论文提出的流动控制措施可将横向力幅值压制到50%以下。 论文第五章主要针对海底管线附近底床的冲刷问题开展了数值研究工作。分别以雷诺平均的非线性k-ε模型、重整化群湍流模型结合预网格剖分的边界拟合技术和临界壁面剪切应力对海底管线附近底床的冲刷平衡剖面进行了数值模拟,数值结果与实验符合较好。在此基础上,进一步结合大涡模拟的流场计算结果对冲刷发生的力学机制进行了分析,指出:在建立冲刷数值模型时,必须注意湍流模型与泥沙扩散方程的搭配使用问题。文中同时以RNG湍流模型对冲刷初期管涌现象与水平压力梯度的关系进行了研究。 本论文第六章建立了一个通用自由表面湍流动数值模型——FEM-LES-VOF,首次实现了有限元、大涡模拟和流体体积的混合算法。FEM-LES-VOF模型的主要优点是:能够适应于任意复杂固壁边界条件、对自由表面的捕捉可在非规则网格系统下实现、能够比较准确地反映出自由表面流动过程中的涡流场特征。通过对溃坝流动以及水流通过半圆形障碍物等的数值计算表明:FEM-LES-VOF模型能够对复杂情况下的自由表面湍流动过程给出较好的模拟结果。文中也将FEM-LES-VOF模型推广到两相流问题中,这对进一步研究海洋水气界面的细部流动特征具有实际意义。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:O241.82;P75

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
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中国硕士学位论文全文数据库 前5条
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2 王海娇;基于特征线的N-S方程算子分裂有限元方法(CBOS法)[D];大连大学;2011年
3 张友林;海洋立管涡激振动抑制方法研究[D];江苏科技大学;2011年
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【参考文献】
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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6 丁军;王登婷;;基于边界元法大尺度柱体上的波浪荷载分析[A];中国钢结构协会海洋钢结构分会2010年学术会议暨第六届理事会第三次会议论文集[C];2010年
7 孙椰望;昃向博;包玮;王潍;;基于RSM的立式辊磨磨腔流态模拟分析[A];中国硅酸盐学会水泥分会首届学术年会论文集[C];2009年
8 李玉成;刘勇;陈雪峰;姜俊杰;马宝联;;波浪作用下局部开孔沉箱内、外渗流场压力实验研究与数值计算[A];第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集[C];2005年
9 高睿;任冰;;波浪沿斜坡传播的SPH数值模拟[A];第十四届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上册)[C];2009年
10 任效忠;王永学;王国玉;;波浪对准椭圆沉箱作用的三维数值计算模型[A];第十四届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上册)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 艾尚茂;管土耦合边界下海底悬跨管道涡激振动研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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3 穆勇;燃气轮机双燃料燃烧室流场及污染排放数值研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 邓锐;阻流板对双体船水动力性能影响的数值研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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6 赵彬彬;基于G-N理论的三维非线性水波数值模拟方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 顾璇;近地/海运动过程中的空气动力学分析[D];哈尔滨工程大学;2009年
8 徐刚;不规则波中浮体二阶水动力时域数值模拟[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 黄燕;碟形越浪式波能发电装置的水动力性能研究[D];中国海洋大学;2010年
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1 王春霞;倾斜巷道中风流方向对瓦斯分布与瓦斯积聚的影响[D];河南理工大学;2010年
2 王发辉;基于FLUENT的干法磁分离机理的数值模拟[D];河南理工大学;2010年
3 周磊;振动筛分机械的动态特性分析与结构优化设计研究[D];河南理工大学;2010年
4 余波;惯性约束聚变的中子半影成像诊断系统和非线性重建方法研究[D];中国工程物理研究院;2010年
5 胡海燕;等离子体喷涂射流的数值模拟[D];浙江理工大学;2010年
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9 张波;缸内流场结构对天然气发动机性能影响的模拟研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 马驰,董艳秋,杨丽婷;海洋平台张力腿在两种边界条件下的涡激非线性振动的比较研究[J];船舶力学;2000年01期
3 郭海燕 ,王树青 ,吴纪宁 ,刘德辅;Dynamic Characteristics of Marine Risers Conveying Fluid[J];China Ocean Engineering;2000年02期
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8 臧志鹏;滕斌;程亮;YEOW Kervin;;水流作用下海底管线三维冲刷扩展速度实验研究[J];大连理工大学学报;2009年01期
9 方志宇,解茂昭,陈家骅;二维方腔流动的有限元模拟[J];大连理工大学学报;1995年02期
10 董平川,徐小荷,何顺利;流固耦合问题及研究进展[J];地质力学学报;1999年01期
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1 秦树杰;对流占优扩散问题的某些新型间断有限元方法[D];南开大学;2001年
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7 沙勇;悬跨海底管线动力响应试验与数值研究[D];大连理工大学;2007年
8 董汝博;多点地震动作用下海底悬跨管道非线性分析[D];大连理工大学;2008年
9 李剑;二维不可压缩Navier-Stokes方程若干算法研究[D];西安交通大学;2007年
10 孙胜男;悬浮隧道动力响应分析[D];大连理工大学;2008年
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1 李磊岩;海底管线管跨段动力响应分析及其实验研究[D];中国海洋大学;2004年
2 戴绍仕;孤立圆柱及串列双圆柱水动力数值实验研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
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5 曾诚;带自由表面的后向台阶流动的流场研究[D];河海大学;2006年
6 王永;非结构化网格生成技术及在SIMPLE算法中的应用研究[D];天津大学;2005年
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【二级参考文献】
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5 陈国谦,李行伟;开闸式异重流前峰行进规律:数值求解[J];水动力学研究与进展(A辑);2000年03期
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【相似文献】
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2 华祖林;湍流模型在环境水力学研究中的应用[J];水科学进展;2001年03期
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10 文吉运;于波;陆宏圻;崔泰俊;朱正哲;;射流泵内流场的大涡模拟[J];武汉大学学报(工学版);2007年02期
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6 王光学;王运涛;洪俊武;张玉伦;;一方程模型在机翼绕流模拟中的应用[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年
7 万蓉;王智伟;;地下电站高大厂房气流组织数值模拟[A];全国暖通空调制冷2004年学术年会资料摘要集(1)[C];2004年
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中国重要报纸全文数据库 前10条
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4 本刊记者 杨峰   ;在海洋工程中建功立业[N];中国建设报;2004年
5 ;专家座谈海洋工程条例(三)[N];中国海洋报;2006年
6 吴丹丹记者 李丽云;博士生论坛热议船舶与海洋工程[N];科技日报;2007年
7 记者 吴秀霞;船海学子打着灯笼难寻“东家”[N];中国船舶报;2009年
8 ;中船海洋工程公司挂牌[N];中国船舶报;2003年
9 记者崔茉;海洋工程公司连中“洋项目”[N];中国石油报;2010年
10 本报记者 周扬;中南重工上市:“输血”造船海洋工程[N];21世纪经济报道;2010年
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4 肖红林;剪切修正的亚格子模型及其在湍流研究中的应用[D];天津大学;2009年
5 郭术义;高炉回旋区湍流特性研究[D];山东大学;2006年
6 任福安;船舶压载水旋流分离处理的应用理论研究[D];大连海事大学;2005年
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8 王翠云;基于遥感和CFD技术的城市热环境分析与模拟[D];兰州大学;2008年
9 曾卓雄;密相可压气固两相湍流流动的理论分析及其数值模拟[D];西安交通大学;2001年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郭秀军;重介质旋流器的结构参数对分选效果及能耗影响的研究[D];煤炭科学研究总院;2005年
2 汪礼;常用湍流模型适用性分析及翼型VOF数值模拟[D];华中科技大学;2007年
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4 杨可;负压隔离病房室内气流组织的优化研究[D];天津大学;2004年
5 黄滢;基于FLUENT软件的建筑物风场数值模拟[D];华中科技大学;2005年
6 杨成坤;LNG船舶瞬时泄漏扩散研究[D];大连海事大学;2006年
7 连洁;跨音速平面叶栅湍流流场数值计算方法的研究[D];西北工业大学;2006年
8 朱旭东;湍流模型的比较、改进和应用[D];南京航空航天大学;2005年
9 王虎;不同入射角横向紊动射流流动特性的研究[D];东北电力大学;2006年
10 宋永奇;湍流超细粉碎机流场的数值模拟[D];兰州理工大学;2007年
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