基于IB-LBM的振荡圆柱流动特性与壁面效应研究

论文摘要

格子Boltzmann方法是近些年发展的一种流体系统建模和分析的介观研究手段,相比于有限体积等研究手段,这种方法处理问题简单,不需要复杂的网格划分和多次插值,精度和效率得到提高,但在边界处理上模糊,而沉浸边界法在处理边界上具有很高的优势。因此本文基于两种方法的耦合方法IB-LBM进行数值模拟研究,并且为了增加雷诺数升高时数值稳定性,提高计算准确性,本文在此基础上增加了 LES模型。近壁面问题是在船舶与海洋工程领域十分重要的一个问题,很多工程结构都涉及到近壁面效应,如海底管线与海床壁面的相互影响,螺旋桨与船体壁面的相互作用等等,其中海底管线是最为典型的一个。受海浪冲刷和海底不平的影响,海底管线悬跨于海床上。在海床壁面和管线表面产生的旋涡的耦合影响下,受力更加复杂且不稳定,管线产生涡激振动,极易引起结构疲劳,影响使用安全。近壁面问题的研究能够深入理解海底管线的受力和流场特征,为海底管线的铺设、疲劳和使用安全评估提供理论依据和技术支持,因此具有很高的工程价值和现实意义。本文首先在不考虑近壁面影响的条件下研究了振荡以及旋转作用对于柱体的流场和受力的影响。验证了本文所用的IB-LBM在处理移动边界问题上具有一定的优势,计算精度也较高。结果显示振荡幅值和频率的改变完成了 2S、类2P和P+S的相互转换。振荡幅值能够影响圆柱尾流的三维性,改变频锁现象发生范围。之后分析了振荡对于柱体结构所受力的影响并找到了转折点。旋转能改变正负涡的形态,使尾涡的脱落和水平方向呈现一定夹角。转速的增加能有效地抑制涡的脱落,并使停滞点上移。雷诺数能改变涡的脱落方向,它增加后圆柱的三维特性更加明显,圆柱后尾涡形态变得紊乱,同时升阻力系数产生相反的变化。其次,考虑到近壁面效应进行了静止和振荡的数值模拟,分析了边界层厚度对于流动问题的影响,得到流场完全发展对应的边界层厚度值。分析了间隙比对于静止圆柱和振荡圆柱的流场和受力的影响,发现间隙比在0.2附近抑制漩涡脱落,而振荡作用在一定程度上加强了旋涡的脱落。而近壁面同样影响着圆柱振荡,改变了频锁现象的范围。最后,研究了近壁面静止和振荡的双圆柱的流场和受力,分析了间隙比,间距比的影响,并与前两部分内容进行对比,分析振荡和近壁面效应以及二者耦合的作用。研究表明上游柱体的尾流场与静止柱体类似,而下游柱体流场由于受到阻碍相较于单柱体有一定的差异。间隙比和间距比对于旋涡抑制的影响相互制约,在间隙比达到0.4后制约消失。两柱体受力有着明显的差异,下游柱体存在负的阻力。振荡作用促进了泄涡,减弱了间距比的影响,导致压力,升力和阻力有所增加,并且对于升力的影响要远大于阻力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 数值计算方法
•     1.1.2 近壁面柱体研究
•     1.1.3 论文目的与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 格子Boltzmann方法的发展与应用
•     1.2.2 沉浸边界法的发展与应用
•     1.2.3 沉浸边界-格子Boltzmann方法提出与应用
•     1.2.4 柱体绕流的研究进展
•     1.2.5 研究现状评述
•   1.3 论文主要工作内容
• 第2章 IB-LBM方法原理
•   2.1 格子Boltzmann方法（LBM）
•     2.1.1 LBM基本理论
•     2.1.2 LBM基本模型
•     2.1.3 LBM与LES的结合
•     2.1.4 LBM边界处理
•   2.2 沉浸边界法（IBM）
•     2.2.1 基本理论
•     2.2.2 计算流程
•   2.3 IB-LBM方法
•     2.3.1 IB-LBM原理
•     2.3.2 IB-LBM流程
•     2.3.3 柱体结构的IBM模型
•     2.3.4 方法验证
•   2.4 本章小结
• 第3章 移动边界柱体绕流数值模拟
•   3.1 振荡圆柱绕流数值模拟
•     3.1.1 计算模型与工况
•     3.1.2 结果讨论
•   3.2 旋转圆柱绕流数值模拟
•     3.2.1 计算模型与工况
•     3.2.2 结果讨论
•   3.3 本章小结
• 第4章 近壁面单柱体绕流数值模拟
•   4.1 计算模型与工况
•   4.2 静止柱体结果分析
•     4.2.1 单位转换
•     4.2.2 边界层厚度δ/D的影响
•     4.2.3 间隙比G/D的影响
•     4.2.4 雷诺数Re的影响
•   4.3 振荡柱体结果分析
•     4.3.1 旋涡脱落形态与流场特征
•     4.3.2 升阻力系数的讨论
•   4.4 本章小结
• 第5章 近壁面双柱体绕流数值模拟
•   5.1 计算模型与工况
•   5.2 静止柱体结果分析
•     5.2.1 流场分析
•     5.2.2 受力分析
•     5.2.3 雷诺数影响分析
•   5.3 振荡柱体结果分析
•     5.3.1 旋涡脱落形态与流场特征
•     5.3.2 受力特征分析
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宋妙妍

导师: 郭春雨

关键词: 格子玻尔兹曼,沉浸边界法,大涡模拟,近壁面,振荡与旋转作用

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: P756.2

DOI: 10.27060/d.cnki.ghbcu.2019.000090

总页数: 122

文件大小: 13573K

下载量: 83