螺旋侧板截面形状对Spar平台涡激运动的影响研究

处于深水中的Spar平台两侧不断产生周期性漩涡脱落,极易诱发涡激运动,缩短平台疲劳寿命。为探究不同截面形状螺旋侧板对漂浮式风力机Spar平台涡激运动的影响,采用大涡模拟(LES)方法,对亚临界雷诺数流动状态下附加不同截面形状螺旋侧板的平台进行研究,并与光滑平台进行对比,分析其水动力系数及尾涡发放特点。研究表明:螺旋侧板在有效抑制平台升力系数的同时,还会增加阻力系数,圆形截面侧板对平台升力系数的降幅最大,阻力系数增幅最小;螺旋侧板的存在使漩涡脱落频率整体减小,从单一主频发放变为主频和次频发放;圆形截面侧板的漩涡脱落点距离平台最远,发放最为迟缓;在研究范围内,发现圆形截面侧板抑涡效果最佳。     

高雷诺数下圆柱绕流与大振幅比受迫振动的数值模拟

利用CFD方法,研究较高雷诺数下圆柱绕流及圆柱大振幅比横向受迫振动特性。在Navier-Stokes方程和k??湍流模型的基础上,对圆柱绕流分别进行了二维与三维的数值模拟,得到了圆柱绕流的升力系数和漩涡发放频率数等结果。研究结果表明,三维模拟的升力系数均小于二维模拟结果。利用Fluent的动网格技术进行大振幅比圆柱横向受迫振动的研究,得到圆柱在不同振动频率时的升力系数及漩涡发放规律和圆柱在特定振幅及频率下的"锁定"区间。     

水轮机转子-密封系统模型及其非线性动力学特性分析

对几种间隙流体激振力模型进行分析比较,着重描述了Muszynska模型所揭示的流体激振力的主要特征;并应用 Muszynska模型建立了水轮机Jeffcott转子-密封系统非线性动力学模型;通过数值计算分析了系统主要参数对稳定性的影响及转子涡动幅值随转速变化的规律.结果表明当转速超过临界失稳转速时,系统出现小幅度涡动,随着转速的进一步提高,转子的涡动幅值持续增加,最终可能导致碰摩,是转子产生破坏事故的重要原因之一.     

单圆柱涡激振动中的振幅不连续和相位切换现象研究

该文对雷诺数Re=100条件下两向自由单圆柱涡激振动进行了数值模拟,圆柱质量比为m*=2.0和m*=10.0,折合流速为U_r=2.0–10.0。研究发现,由于附加质量的影响显著,质量比m*=2.0工况的振动响应在折合流速U_r=3.8(有拍振)到U_r=3.9(无拍振)之间出现了明显的振幅最大值不连续现象,而质量比m*=10.0工况则没有出现。圆柱升力和位移之间的相位在下端分支的中部存在一个接近180°的跳跃,应用小波变换对圆柱升力的频谱研究发现,在相位跳跃前,升力的基频分量占主导;而相位跳跃后,升力的3倍频分量占主导,此时圆柱升力和位移的卓越频率不在相同,最终导致圆柱升力和位移之间相位差的跳跃。     

泰州大桥中塔沉井振动数值模拟

利用计算流体动力学(CFD)方法对泰州大桥中塔沉井进行数值分析,研究了不同流速条件下水流力引起的振动周期及振幅.研究表明,由于流体在沉井后侧发生交替的涡泄,引发了纵向的定常力和振荡力,以及垂直来流方向上的激振力,这两者的倍频关系决定了摆振的形态.在3.5×107≤Re8.1×107时,升力周期出现较大变化,在此范围内施工,需加强锚缆力,防止沉井摆振.     

错置双柱式桥墩三维流场及水流力特征研究

错置双柱式桥墩在桥梁工程中广泛存在,错置双柱式圆柱三维绕流以及水流力特征值得深入研究。该文采用ANSYS Fluent数值模拟软件,考虑自由液面影响,对典型等直径45°错置双柱桥墩在不同柱间间距下的三维流场以及水流力特征等进行了研究,研究结果表明:柱间间距为2D时,两柱后漩涡沿顺流方向拉伸严重,Z1柱处漩涡规律性脱落不明显,Z2柱后有漩涡规律脱落,且Z2柱阻力均值、阻力振幅及升力振幅均大于Z1柱;Z1柱周向自由液面高度变化较小,Z2柱周向自由液面分布近似关于沿顺流方向过Z2柱心的直线对称,Z2柱两侧自由液面高度也会随漩涡结构的发展而出现波动。Z1柱周向压强分布波动较小,Z2除受底部边界及自由液面影响较大的截面外,各截面压强波动也较小。文章还进一步研究了L/D增大后,各柱阻力系数、升力系数、漩涡脱落频率和斯特劳哈尔数等水流力参数的变化特点。     

均匀流与振荡流作用下圆柱横向振荡水动力特性研究

真实海洋环境中由于波浪场的存在,单纯均匀流较少,研究均匀流与振荡流共同作用对圆柱横向振荡的影响显得十分必要。为此,在验证数值方法可靠的基础上,通过改变振荡流强度和运动圆柱的振幅和频率,分析圆柱所受作用力的变化特性。研究表明:升力系数的变化规律既受振荡流强度的影响也受圆柱振幅比的影响;振荡流弱且圆柱振幅比较小时,圆柱体受力、锁定和拍频与均匀流单独作用时相似;增大振荡流强度后,圆柱体的升力系数幅值一直较大,且尾流中漩涡脱落没有明显的规律。     

螺旋侧板厚度对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响

Spar平台因其特殊的深吃水立柱式结构,在来流影响下极易发生涡激运动。为探究不同厚度螺旋侧板对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响,基于CFD方法,针对不同厚度螺旋侧板,对平台进行了数值模拟并详细分析平台的升阻力系数、压力场及涡量场等流场参数。结果表明:螺旋侧板可有效抑制涡激载荷,且随厚度增加,升力系数幅值先增加后减小,阻力系数逐步减小;在研究范围内,螺旋侧板厚度为0.10 D时,升力系数幅值最小,阻力系数与原型平台在同一范围内,对涡激载荷的抑制效果最好。     

不等直径串列圆柱绕流大涡模拟

为研究背负式海底管线中增设的小直径附属管线对主管线的水动力影响,将大涡模拟中经典Smagorinsky亚格子模型与特征线算子分裂有限元法结合,并引入出口对流边界条件,完善了基于特征线算子分裂有限元的大涡模拟方法。通过自编程序数值模拟Re=1 000的单圆柱绕流,计算结果与相关文献吻合较好,验证了该算法计算圆柱绕流的有效性,并分析了Re=1 000时不同直径比、间距比情况下的串列双圆柱绕流,根据流场的不同涡脱落形态及两圆柱平均阻力系数、升力系数随直径比、间距比变化的规律得到了不同直径比条件下的临界间距范围。达到临界间距后,流场由单一涡脱落状态转变为双涡旋脱落状态。最后分析了两圆柱平均阻力系数及升力系数在临界间距后急剧增加的原因,为背负式海底管线的布局优化提供了理论依据。     

采用新的结构—尾流反作用力耦合模型分析圆柱结构涡激共振

该文建立了一个新的结构-与尾流振子流固耦合模型.采用具有非线性阻尼的振子来模化、van der pol方程来描述流场近尾迹动力学.以结构与流体的受力互为反作用力的关系,建立了新的流固耦合模型.使用该文的模型对二维结构涡激振动问题进行研究,能很好地预计结构涡激共振的特性.计算结果表明,结构共振的最大振幅随着结构的数和质量阻尼参数的增大而减小,与实验结果规律一致、数值吻合.根据该文的模型计算结果给出了预测共振振幅值的拟合公式,并给出了共振情况下升力、相位等的变化规律.     

不同风况和防振锤布置对圆管涡激力影响研究

长时间大幅涡激振动可能会使导管架平台发生疲劳破坏,为了研究不同风速、风向及不同布置间距下,防振锤对升力系数、阻力系数和尾流特性的影响,该文运用雷诺平均法(RANS)进行了数值模拟。结果表明：在发生涡激振动的风速区间内,安装防振锤可以减小升力系数55%以上;不同风速下,防振锤对升力系数的影响最多差10%,当风向角为45°时,防振锤可以减小圆管的升力系数约87%;此外,在相同的风速和风向条件下,防振锤间隔45°均匀布置时,对升力系数的影响最大;安装防振锤后,圆管背风侧负压区范围增大,且对升力影响越大负压区范围越大,尾涡尺寸减小,尾涡中心压力减小。     

利用分离盘控制隔水管涡激振动的数值模拟

涡激振动是导致深海隔水管疲劳失效的重要因素.为有效控制隔水管涡激振动,提出了利用分离盘控制涡激振动的方法.对加装0.25～2.0倍隔水管直径的分离盘后的隔水管流动进行了二维数值模拟.研究了亚临界状态下各种模型旋涡脱落的流场结构、脱落模态、隔水管升阻力系数和旋涡泄放频率的变化特征.结果表明:分离盘加装前与经典的实验和计算结果吻合很好;不同尺寸的分离盘对隔水管涡激振动控制效果具有明显差异;当分离盘的长度为1.0至1.5倍的隔水管直径时,平均阻力系数可以减小20%,尾迹涡街的频率也有了较大的减小,达到控制涡激振动的最优效果.     

三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。     

不同质量比多柱式平台涡激运动特性数值研究

浮式海洋平台在一定的海流条件下,立柱两侧会发生旋涡脱落,进而产生涡激运动。涡激运动会对立管及系泊系统造成疲劳损伤,影响平台的正常工作和使用寿命。因此研究浮式平台的涡激运动具有重要意义。涡激运动是一种复杂的物理现象,其中质量比是影响涡激运动特性的重要参数。该文基于自主研发的船舶与海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,采用基于剪切应力运输(shearstresstransport,SST)的延迟分离涡模拟(delayeddetached-eddy simulation, DDES)方法处理高雷诺数下三维流动分离,数值模拟了不同质量比的多柱浮式平台涡激运动响应情况,并将数值模拟得到的运动响应与模型试验结果进行了对比分析,验证了数值模拟的可靠性。同时分析了平台运动和受力随质量比的变化规律,并对典型时刻平台周围的流场进行了详细分析。     

高速离心泵口环密封流体激振力特性研究

在离心泵等旋转机械中口环通常作为一种减小泄露流量的部件,但随着口环间隙的减小和转子转速的增加,其动力学特性对高速离心泵的稳定运行影响不容忽视。基于数值模拟的方法计算研究了高速离心泵在工作状态下口环处产生的流体力,并讨论了减小口环处不稳定流体激振力的方法。通过整体建模高速离心泵流场域,计算了处于具体的进出口边界条件下的口环中转子在不同涡动半径、涡动比和口环密封尺寸下所受流体激振力。结果表明:单蜗壳式高速离心泵口环密封处产生的流体力占据了叶轮总体径向力的大部分,泵转子涡动时口环密封处产生频率等于轴频的交变力频率;口环密封激振力与转子涡动半径和涡动比有密切的关系;口环密封尺寸对口环流体激振力的影响显著,在相同口环间隙与长度比下,口环轴向长度的变化对口环所受流体力的影响比口环间隙大,同时,对口环密封性能影响小。     

线性剪切来流对方柱绕流特性影响的数值分析

为研究线性剪切来流对方柱绕流特性的影响,将对流出口边界条件引入特征线算子分裂有限元法中,建立了线性剪切来流的方柱绕流数值模型,并采用均匀来流的方柱绕流模拟结果验证了该模型计算方柱绕流问题的可靠性。数值模拟结果表明,剪切参数k对方柱绕流尾部形成的两排涡影响明显,涡脱落在k较大时被抑制,在k≥0.4时涡量最终形成一个类似三角形的区域;驻点随k的增加逐渐向高速侧分离点移动,在k≥0.3时驻点的位置不再发生变化;平均阻力系数在0.2≤k≤0.25时发生较大变化,平均升力系数在k≥0.2时为负。     

横掠管束周期性充分发展通道内流动与换热的非线性特性

横掠管束模型抽象于水利工程中的绕流柱体群或换热器中的绕流管束。引用周期性边界条件将模型简化,通过数值模拟技术考察了不同雷诺数下的流场和温度场。经过比较发现随着Re数的增大,流动由稳态转变为出现较大的涡,接着涡变小,随后又变大这样的一个循环过程。这是由于随着Re数的增大,惯性力、粘性力与不断生成的微小漩涡三者的共同作用导致。换热过程与流动密切相关。此外,研究了监测点处速度随时间的变化趋势。结果表明:流动呈现出非线性特性,随着Re数的增大,数值解从稳态过渡到周期性振荡最后发展为混沌的状态。     

深吃水对柱式半潜平台涡激运动数值模拟

该文采用专门面向船舶与海洋工程问题自主开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,基于不可压缩Navier-Stokes方程及延迟的分离涡模拟(Delayed Detached-Eddy Simulation, DDES)方法,模拟了新型的深吃水对柱式半潜平台在不同折合速度下的涡激运动(Vortex-Induced Motions, VIM)响应。首先采用不同的湍流模型进行静水拖曳数值模拟,并将结果与他人的模型试验比较。然后对静水中的平台进行横向运动及首摇的数值自由衰减测试,并将自由衰减测试得到周期与模型试验比较,验证了该文采用的弹簧系统等效刚度与模型试验一致。在此基础上对平台在不同折合速度下的涡激运动进行了数值模拟,将标称横荡响应、平均过零周期与模型试验比较,并分析了平台涡激运动响应幅值、频率随折合速度的变化规律。     

不同雷诺数下水平桩柱的水动力待征

本文介绍了均匀振荡流中光滑水平桩柱上水动力特征的试验研究.试验中,雷诺数Re=20000～260000(该区域为亚临界区与临界区),Kc=5～40.分析中,利用最小二乘法来确定Morison方程中的速度力系数C_(?)及惯性力系数C_M;还利用最大值法及均方根值法对合力系数C_F与升力系数C_L进行分析,所有的正向力与升力系数都作为Re及Kc数的函数给出,并且各系数相对于其平均值的均方差值也在图中示出.其主要研究成果如下:当Re≥80000时,所有的水动力系数(包括C_D、C_M,C_F与C_L),几乎与雷诺数Re无关,且各系数均随Kc数的逐渐增加而趋向于不同的常数;当Re<80000时,速度力系数C_D随Re数的增大而减小,而惯性力系数C_M随Re数的增大而增大.     

均匀流中横向振荡圆柱绕流场的数值分析

针对工程中关心的振荡圆柱绕流问题,采用同位网格系统中的SIMPLE算法求解N-S方程,以及动网格技术模拟圆柱的运动边界。对均匀来流中的横向振荡圆柱绕流场进行数值模拟,计算了振荡圆柱升力系数、阻力系数随时间的变化曲线,以及不同相位时的流线矢量图和涡量等值线分布图。为验证模型的可靠性,对静水中的振荡圆柱流场进行模拟。与实验及数值计算结果吻合较好。