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方型布置四圆柱绕流的试验及数值研究

殷长山  
【摘要】:方型布置四圆柱系统作为多柱结构布置的基本单元,在码头、跨海桥梁、深海石油开采等近海和海洋工程领域有着广泛的应用。四柱体结构之间排列紧密,在恶劣海洋环境中受到波浪流的联合作用,极易导致结构体发生损坏,尤其是当旋涡脱落频率接近结构体的固有频率时,还有可能发生共振现象,加速结构体疲劳破坏。对四柱体结构附近的流场特性进行机理性探究,有助于揭示多桩结构及尾流间的相互干扰耦合作用,为近海和海洋工程的优化设计和施工提供技术参考。本文基于物理模型试验和数值模拟方法,开展了方型布置四圆柱在不同间距比、迎流角和雷诺数下绕流流场特性研究。物理模型试验主要采用粒子图像测速技术(PIV)对不同间距比和迎流角的条件下四柱体的瞬时及时均尾流流场信息进行了采集,获得了瞬时及时均涡量等值线图、时均速度矢量及流线拓扑图。通过对下游速度进行能谱分析获得了下游柱体的旋涡脱落频率Strouhal数。基于试验数据,探讨了间距比对四柱体后的时均及瞬时尾流形态、旋涡脱落频率的影响。依据间距比的变化,试验发现了三种不同的流场形态,即小间距比下的“屏蔽流”模态,中等间距比下的“剪切层再附着”模态和大间距比下的“涡冲击”模态。间距比的变化对柱体尾部脱落的旋涡涡量值的大小有很大的影响。流态发生切换时,Strouhal数改变明显。迎流角不等于零时,下游柱体在横向及流向方向都会对上游柱体尾流产生影响;迎流角发生改变时,四柱绕流尾流形态变化明显。基于计算流体力学软件ANSYS Fluent,本文开展了不同间距比和雷诺数下的柱体尾流形态、旋涡脱落频率和结构受力分析的数值研究。本文综合考虑了间距比和雷诺数对流态发展的影响,归纳了不同流态区间图。通过数值模拟发现,涡脱相位差只和间距比有关,而和雷诺数无关。柱体表面平均升、阻力系数Cl、Cp的大小随柱体之间间距的改变而发生变化,当流态发生切换时,CD和Cl的值变化明显。在同一间距比条件下,随着雷诺数的增大,流态发生转换,Cl增加。


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