倾斜多柱体绕流试验及数值研究

论文摘要

海洋立管作为深水油气资源开采中关键且薄弱的构件,在开采系统中通常以管群形式存在。相邻管体之间的相互影响、干扰会对其后的尾流旋涡脱落形态及结构动力响应产生很大影响,尤其对于钢悬链线立管,其近触底区因倾斜角度变化大,尾流相互干扰及涡激振动机制更加复杂,更易导致立管发生疲劳破坏。然而目前基于竖直多管体的尾涡特性研究因忽略轴向流影响,并不能直接应用到倾斜多管体中,亟需开展倾斜管流场尾涡特性研究。本文基于物理模型试验和数值模拟,开展了不同倾斜角度及雷诺数条件下倾斜单柱、倾斜并列多柱绕流流场尾涡特性的试验及数值研究,主要研究工作如下:1.采用粒子图像测速技术(PIV)开展了小间距比下不同倾斜角度的并列双柱与并列三柱绕流流场的可视化研究,得到了瞬时涡量等值线、瞬时及时均流线拓扑及时均流线拓扑,分析了间隙流瞬时偏转角度频率分布直方图的概率拟合,探讨了倾斜角度对间隙流形态、尾涡涡量和间隙流偏转角度的影响,阐述了倾斜并列圆柱间隙流发生交替偏转机理。研究发现,随着倾斜角度的增大,并列双柱绕流流场仅存在两种间隙流形态,而并列三柱绕流流场共存在五种间隙流形态。各倾斜角度下的间隙流瞬时偏转角度的频率分布直方图均大致符合正态分布。2.采用计算流体力学开源软件OpenFOAM对不同雷诺数顺流向与逆流向倾斜单圆柱绕流进行了三维数值模拟研究,获得了瞬时三维尾涡结构、瞬时及时均流线、旋涡脱落频率与圆柱受力特征,验证了不同雷诺数下独立性原则的适用性,揭示了倾斜圆柱流场特性及圆柱受力特征随雷诺数与倾斜角度的变化规律。此外,本文开展了小间距比下不同倾斜角度的并列双柱绕流的三维数值模拟研究,探讨了倾斜角度对并列圆柱间隙流形态及圆柱受力特征的影响,阐明了独立性原则对倾斜并列双柱绕流的适用性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 倾斜圆柱绕流研究现状
•     1.2.2 并列圆柱绕流研究现状
•   1.3 本文研究内容
• 2. 圆柱绕流理论
•   2.1 单圆柱绕流
•   2.2 并列圆柱绕流
•   2.3 倾斜圆柱绕流
•   2.4 本章小结
• 3. 物理模型试验研究
•   3.1 试验水槽
•   3.2 PIV测速系统
•   3.3 倾斜并列双柱与三柱绕流结果分析
•   3.4 本章总结
• 4. 数值模拟研究
•   4.1 不同倾斜方向单圆柱绕流数值模拟
•   4.2 倾斜并列双柱绕流数值模拟
• 5. 全文总结及展望
•   5.1 总结
•   5.2 本文创新点
•   5.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘彩

导师: 高洋洋

关键词: 倾斜圆柱绕流,粒子图像测速技术,三维数值模拟,流场特征,受力特性

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 浙江大学

基金: 国家自然科学基金青年项目,浙江省自然科学基金-华东院联合基金重点项目,国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”专项,浙江大学舟山校区高性能计算中心支持

分类号: P756.2

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000289

总页数: 112

文件大小: 13074K

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