低雷諾數(shù)下圓柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的流固耦合運(yùn)動數(shù)值分析.pdf

1、圓柱繞流是流體力學(xué)中的經(jīng)典問題，同時圓柱型結(jié)構(gòu)也廣泛用于海洋工程領(lǐng)域，如海洋平臺的樁柱支撐結(jié)構(gòu)、立管系統(tǒng)及海底管線等。當(dāng)水流經(jīng)過這些圓柱型結(jié)構(gòu)時，會在順流向和橫流向上形成周期性的振蕩流體作用力，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動響應(yīng)，例如渦激振動就是其中的典型問題。特別是對于深水立管以及懸空的海底管道系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)的長細(xì)比較大，柔性特征明顯，渦激振動極易造成結(jié)構(gòu)物的疲勞破壞，縮短結(jié)構(gòu)壽命，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定。此外，在一些情況下，圓柱結(jié)構(gòu)也往往以集

2、束形式或多體組合等復(fù)雜形式出現(xiàn)，這涉及到更為復(fù)雜的流動干涉現(xiàn)象以及流體和結(jié)構(gòu)之間的耦合相互作用，需要對其中的力學(xué)機(jī)制和物理過程開展基礎(chǔ)性研究。
　　為了深入了解和認(rèn)識與圓柱型結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的流固耦合問題，本論文首先在任意拉格朗日-歐拉觀點(diǎn)下，建立了求解不可壓縮粘性流體Navier-Stokes方程的三步有限元數(shù)值模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程，并引入合理的實(shí)時網(wǎng)格更新方法，來考慮流體運(yùn)動與結(jié)構(gòu)運(yùn)動的耦合作用。在對數(shù)值模型的可靠性

3、進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分別針對近壁多體圓柱繞流、多圓柱干涉作用下的渦激振動以及帶尾流隔板圓柱系統(tǒng)的自旋運(yùn)動等問題開展了數(shù)值研究。本論文研究工作側(cè)重于流固耦合問題的基礎(chǔ)理論分析，文中的相關(guān)數(shù)值計(jì)算工作限于二維低雷諾數(shù)流動。
　　首先，利用本論文建立的數(shù)值模型研究了近壁串聯(lián)固定等直徑雙圓柱的繞流問題?？疾炝藞A心間距比以及柱壁間隙比（分別對應(yīng)無量綱參數(shù)L/D和G/D，其中D為圓柱直徑）對圓柱結(jié)構(gòu)受力特性和尾渦脫落模式的影響作用。數(shù)值結(jié)

4、果表明，隨著L/D和G/D的變化，近壁圓柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有三種不同的尾渦脫落模式，并且當(dāng)尾跡模式發(fā)生變化時，會導(dǎo)致圓柱受力特性的突變。
　　其次，對串聯(lián)雙圓柱渦激振動問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。其中，上游圓柱固定不動，下游圓柱在剛度和阻尼作用下，允許同時發(fā)生橫流向和順流向的雙自由度運(yùn)動。通過在Ur∈[3.0，12.0]的大范圍約化速度變化區(qū)間內(nèi)開展數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)研究了圓柱間距比以及圓柱質(zhì)量比對渦激振動運(yùn)動響應(yīng)及圓柱受力特性的影響。數(shù)值

5、結(jié)果表明，圓柱間距比和質(zhì)量比的變化都會導(dǎo)致渦激振動鎖定區(qū)間的變化，進(jìn)而深刻影響到圓柱的運(yùn)動響應(yīng)和受力特性，而這些方面都與圓柱尾流區(qū)內(nèi)的渦旋脫落模式密切相關(guān)，體現(xiàn)了多體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的復(fù)雜流動干涉效應(yīng)。
　　最后，研究了帶有尾流隔板圓柱系統(tǒng)的流固耦合運(yùn)動問題，包括圓柱與尾流隔板固連系統(tǒng)的受迫擺動和自由擺動問題。對于系統(tǒng)以圓心為中心的受迫擺動問題，分析了轉(zhuǎn)角幅值和擺動頻率對系統(tǒng)的受力和尾跡的影響作用。與帶尾流隔板的固定圓柱相比，對于圓柱

6、與尾流隔板固連系統(tǒng)的受迫擺動，當(dāng)f＞0.2后可以降低系統(tǒng)的平均拖曳力，而升力幅值卻明顯增大。對于系統(tǒng)在流體力作用下，以圓心為中心發(fā)生自由擺動的問題，研究了不同約化速度下，結(jié)構(gòu)的受力特性、轉(zhuǎn)動運(yùn)動響應(yīng)以及它們與尾流模式之間的關(guān)系。數(shù)值結(jié)果表明，圓柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角幅值、平均拖曳力系數(shù)、升力系數(shù)幅值以及轉(zhuǎn)動頻率在約化速度Ur=4.5時出現(xiàn)間斷性突變(Re=100);系統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)角和平均升力系數(shù)在低約化速度下為零，而在高約化速度下(Ur=11.