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三维圆柱体旋涡发放特性的数值实验研究

方媛媛  
【摘要】: 在港口、海岸及近海工程中,许多关键性构件都是圆柱状结构,如海洋深海钻井平台及其钻杆、海底输油管道、大桥桥墩等,三维刚性圆柱体在均匀流场中因涡激振动而发生损坏的现象经常发生,针对这一实际问题国外许多学者进行了初步的探讨,而国内针对该问题的数值模拟以及实验研究较少。因此针对流体绕流三维圆柱体后旋涡脱落形式以及柱体表面所受作用力的研究,无论对工程运用还是理论研究都有一定的参考价值。 本文使用计算流体力学软件CFX,采用国内外研究该问题普遍应用的大涡模拟方法,数值模拟了不同雷诺数(Re=5.6×10~3、2.8×10~4、1.1×10~5和1.1×10~6)下均匀流场中流体绕流三维圆柱体问题,研究了绕流后所形成的涡管以及圆柱体表面所受到的流体载荷等相关特性,主要工作如下: 1)确定了本文数值模拟流体绕流三维刚性圆柱体问题的流场尺寸、详细阐述了使用不同软件对模型进行网格划分的优缺点以及在网格划分中所需注意的各种问题,最终采用CFX进行本文的数值模拟。 2)分析了不同雷诺数三维圆柱体绕流后展向各个截面旋涡脱落形式、旋涡脱落角度、所形成的涡管以及尾流场各点的脉动压力系数,从而研究本文圆柱体绕流问题的三维效应。 3)讨论了不同雷诺数圆柱体表面展向各截面的稳态压力系数和脉动压力系数沿周向的分布形式。 4)研究了不同雷诺数圆柱体表面展向各截面的升力系数和阻力系数的历时曲线、平均阻力系数、脉动阻力系数和脉动升力系数沿展向各个截面的分布情况。 5)利用谱分析的方法,分析了三维圆柱体表面脉动升力和脉动阻力的功率谱和基压及速度的功率谱,以及不同工况展向各个截面的斯特诺哈尔数变化情况。


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