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基于OpenFOAM的圆柱双自由度涡激振动数值模拟研究

张立健  
【摘要】:海洋立管是连接海底管道与海洋工程结构物生产设备之间的管道,当粘性流体流经大跨度立管时,会产生涡激振动的问题。当尾涡脱落频率接近圆柱自振频率时,会发生“锁定”现象致使立管振幅加剧,管道涡激振动现象一直受到广泛学者的关注。近些年来,众多的科研单位开始采用OpenFOAM进行海洋管道涡激振动数值模拟研究。本文研究主要工作为:第一,改进κ-ωSST模型,通过OpenFOAM验证改进模型可靠性。第二,采用三种初始条件(加速,匀速,减速)进行涡激振动模拟,对比圆柱涡激振动特征差异。第三,系统研究雷诺数对多边界条件下圆柱涡激振动特征的影响。首先,采用κ-ωSST,LES以及DES模型对圆柱绕流问题进行模拟,结果表明:κ-ωSST主要缺陷在于5*104≤Re≤105内升力与阻力的骤降,针对κ-ωSST模型的问题,在k输运方程中添加能量传递项进行改进。通过对比两种SST模型结果可知:改进SST模型较原始SST模型的准确性有较大提升。采用三维DES方法进行展长为πD,2πD以及3πD的圆柱绕流模拟发现:在周向角度600° ≤θ≤90°,圆柱表面压力沿轴向平稳下降,当周向角θ≤60°,表面压力从中截面向两端剧烈下降。分析速度分量可知:u在展向距离πD/2内迅速增大,在展向距离πD/2至3πD/2范围内小幅度增大。v沿着中截面向两端逐步增大。分析水动力可知:阻力与St数随展长增大变化细微,升力系数减小。其次,在“数值水池”中采用匀加速,匀减速和匀速方式进行数值模拟,结果表明:迟滞效应对振幅大小有显著影响。三种初始条件均捕获到“锁定”现象,但是锁定区间不同。圆柱泄涡模式体现出“惯性”性质,即增大速度时,圆柱泄涡将倾向于速度较小的泄涡形式。减小速度时,圆柱泄涡将倾向于速度较大的泄涡形式。当约化速度提供的作用力大于圆柱维持原泄涡模式的最大承受能力后,圆柱泄涡模式将出现跳跃。在迟滞区间内,同Ur下采用不同初始条件时的泄涡模式是不同的,进而导致“迟滞现象”。在迟滞区域内,在约化加速度0.025与0.05间存在临界值,大于该临界值,升力与位移会提前发生相位切换。最后,系统研究雷诺数范围对不同边界条件(低质量比,高质量比,fNx,fNy= 2)下圆柱涡激振动特征的影响,主要分析涡激振动幅值,频率,水动力系数,运动轨迹以及泄涡模式的变化。结果表明:1)雷诺数增大会导致振动幅值加大与上端分支范围加长,同时发现振动锁定频率越发靠近固有频率。2)在初始分支与下端分支中,雷诺数对运动轨迹以及泄涡模式影响不大。在上端分支中,不同雷诺数下圆柱运动轨迹迥异。3)对于fNx/fNy = 2的圆柱,升力阻力在锁定区间内,表现出一阶谐频和三阶谐频,同时随雷诺数增大,三倍频逐渐大于一倍频。总之,本文基于OpenFOAM对圆柱涡激振动进行了数值模拟研究,系统给出了不同边界条件下圆柱涡激振动的影响规律,本文对立管涡激振动后续的研究提供了参考。


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