三維細(xì)長體的繞流特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著海洋油氣裝備技術(shù)的迅速更新，愈來愈多的深水資源被勘測和開發(fā)出來。不管使用什么類型的浮式裝置，立管系統(tǒng)在海洋工程裝備中始終是關(guān)鍵的連接部件。在CFD領(lǐng)域，對立管等細(xì)長結(jié)構(gòu)的繞流及渦激振動(dòng)的數(shù)值模擬研究得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。而隨著近年來繞流的三維效應(yīng)逐漸為人所知，所以愈來愈多的研究開始往三維數(shù)值模擬這方面發(fā)展?；诖?，本文將對三維細(xì)長結(jié)構(gòu)進(jìn)行了繞流特性數(shù)值研究。
　　論文的主要工作包括:第一、對OpenFOAM軟件環(huán)境下的繞流并行

2、技術(shù)進(jìn)行了研究;第二、探討了細(xì)長體在均勻來流以及剪切來流條件下的繞流特點(diǎn);第三、對三維模型的VIV進(jìn)行了數(shù)值分析。
　　首先，論文分析了不同處理器數(shù)量、不同區(qū)域分解方法以及網(wǎng)格數(shù)量對并行性能的影響。發(fā)現(xiàn)了最適合本實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)硬件條件下的并行處理方法，從而得到較高的并行計(jì)算效率。本文還利用OpenFOAM具有開源性的特點(diǎn)，基于MPI+OopenMP的混合并行模型，重新編寫了并行計(jì)算的改進(jìn)模型，并驗(yàn)證了其可行性。
　　其次，對不

3、同細(xì)長比的三維圓柱在均勻流中的繞流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn):三維模型、的阻力系數(shù)CD、升力系數(shù)CL和斯特勞哈爾數(shù)St都小于二維繞流結(jié)果;當(dāng)細(xì)長比a*=30時(shí)，其數(shù)值結(jié)果已經(jīng)十分接近試驗(yàn)值;且均勻流的尾渦總體上顯示為2S模式;同時(shí)觀察到沿展向分布的條形狀的渦管。通過對圓柱尾流場的時(shí)均速度分析還發(fā)現(xiàn)，尾流在流場較遠(yuǎn)處受到回流的影響較小。此外，分離點(diǎn)會(huì)隨著雷諾數(shù)的增大而往后移，而且回流區(qū)長度則會(huì)隨著細(xì)長比的增大而減小。
　　然后，對三維模型（

4、a*=30）在剪切來流作用下進(jìn)行了繞流分析，發(fā)現(xiàn):不同流速的截面會(huì)受到其它相鄰截面的影響，從而導(dǎo)致模型表面的受力比均勻流(相同Re)作用下的結(jié)果要大，這說明了剪切流在整個(gè)軸向是存在耦合作用的。剪切流尾渦在流速較大處出現(xiàn)2S模式，而在同一截面較遠(yuǎn)處還存在2P模式，這與均勻流中尾流整體表現(xiàn)為2S模式是完全不同的現(xiàn)象。另外，剪切流也出現(xiàn)了明顯的垂向渦管;并且隨著軸向速度由上往下逐漸變小化，渦管現(xiàn)象越顯著，同時(shí)在軸向整體呈現(xiàn)三角形狀。