波浪作用下水平圆柱绕流特性的数值模拟

论文摘要

人口数量逐年增长,陆地资源过度开发,致使今后社会的发展将越来越依靠海洋资源,石油和天然气等不可再生能源将越来越多地依赖海洋资源的合理开发和利用。21世纪以来,我国综合实力迅猛发展,为了适应时代的发展要求,海洋工程的研究显得尤为重要。水平圆柱体作为海洋石油平台的重要支撑及组成部件之一,具有十分重要的研究意义。本文通过数值模拟分析研究了波浪作用下水平圆柱绕流特性,意在协调海洋工程结构中水平圆柱结构体与波浪的相互作用,利于海洋工程的建设。本文的研究内容分为两部分:波浪作用下的水平水下固定圆柱数值模拟以及竖直方向自由运动的悬浮水平圆柱体数值模拟。本文应用VOF（volume of fluid）模型模拟出水气两相流的数值模拟环境,并应用k-ε湍流模型模拟出所需环境,并在Keulegan-Carpenter数（简称KC数）相似环境下的实验研究结果相对比,即KC数范围在1.57至3.14之间,Re数约在105左右。分别模拟了三种波浪条件下（三级、四级、五级波浪）,三种圆柱尺寸（1倍、1.5倍、2倍波高）,处于三种水下深度处（2倍、2.5倍、3倍波高）水平固定圆柱的受力等情况,并进行了详细的圆柱绕流流场分析,以及三种波浪条件下（三级、四级、五级波浪）,三种圆柱密度时（600 kg/m3、700 kg/m3、800 kg/m3三种情况）竖直方向上自由漂浮的水平圆柱的运动及受力等情况,并进行了详细的分析。对于固定水平圆柱和波浪间的相互作用,本文从圆柱大小,圆柱浸没深度及波浪参数三个方面分析。由于流体中的结构物占据了部分流动通道,使得过流面积减小,结构物对流动具有阻塞效应,CD,CL的大小与圆柱大小呈正相关,且与水深无关,结合理论推导得到CL的大小与r/v2成正比。对于竖直方向上自由漂浮的水平圆柱和波浪间的相互作用数值模拟研究,圆柱体受力的影响因素主要为波陡参数以及圆柱体密度,随着圆柱体密度的增大,圆柱体呈现出波浪翻越水平圆柱体结构的现象,使得升力阻力系数的大小与圆柱体密度呈正相关。且在波浪翻越水平圆柱体结构的情况下,波陡参数的增加以及圆柱体竖直方向上的运动使得波浪破碎程度逐渐增强,因此CD,CL的大小与波陡参数呈负相关,且与圆柱体运动方面,圆柱体振动幅度的主要影响因素为波陡参数,圆柱体振动中心位置的主要影响因素为圆柱体密度,且随圆柱体密度的变化,其运动规律随之发生变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 关于造波技术的国内外研究现状
•     1.2.2 波浪与半潜结构物作用的国内外研究现状
•   1.3 本文的研究内容
• 第2章 数值方法及模型验证
•   2.1 引言
•   2.2 多相流模型与湍流模型概述
•     2.2.1 多相流模型概述
•     2.2.2 湍流模型概述
•   2.3 多相流模型与湍流模型的验证
•     2.3.1 网格无关性验证
•     2.3.2 数值模拟结果验证
•   2.4 本章小结
• 第3章 造波方法的选择与验证
•   3.1 引言
•   3.2 线性波的理论推导
•   3.3 模型的建立
•   3.4 模拟结果的验证与分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 固定水平圆柱与波浪相互作用的模拟研究
•   4.1 引言
•   4.2 数值模拟过程的设置
•     4.2.1 湍流模型及多相流模型的设置
•     4.2.2 不同情况下物理模型的设置
•   4.3 模拟结果的综合分析
•     4.3.1 一个周期内圆柱体周围水动力及流场分析
•     4.3.2 不同参数对圆柱体水动力特性的影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 竖直方向上自由漂浮水平圆柱与波浪相互作用的模拟研究
•   5.1 引言
•   5.2 数值模拟过程的设置
•     5.2.1 动网格技术介绍
•     5.2.2 不同情况下物理模型的设置
•   5.3 模拟结果的综合分析
•     5.3.1 一个周期内圆柱体周围水动力及流场分析
•     5.3.2 不同参数对圆柱体水动力特性的影响
•     5.3.3 漂浮水平圆柱体的运动特性分析
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘雨

导师: 周裕

关键词: 波浪,圆柱绕流,升力系数,阻力系数

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学,海洋学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: P75;O357.5

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002504

总页数: 68

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