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水流作用下海上风机桩式基础局部冲刷三维数值模拟研究

作　者: 张博杰
导　师: 张庆河
学　校: 天津大学
专　业: 水利工程
关键词: 圆柱局部冲刷 OpenFOAM 数值模拟多桩海上风机基础
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 6次
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内容摘要

海上风机基础周围的局部冲刷对于风机结构的稳定性有重要影响，是海上风机基础结构研究的重要课题。为了研究海上风机桩式基础周围的局部冲刷，本文利用开源程序OpenFOAM建立三维水流数学模型，并基于切应力平衡方法建立了结构物周围局部冲刷数学模型，对桩柱周围的局部冲刷进行了模拟。本文的主要研究内容和结论如下：（1）在开源程序OpenFOAM的基础上建立了三维水流数学模型，流体流动的控制方程为三维Navier-Stokes方程，紊流模型选用RNGk模型，自由面采用VOF法来描述。利用建立的模型研究了圆柱周围的流动特性，分析了流速剖面分布以及圆柱迎流侧和背流侧的流速分布，并用物理模型试验验证了水流模型的合理性。（2）在三维水流数学模型的基础上，基于切应力平衡法模拟冲刷的思想，建立了水流作用下结构物周围局部冲刷的三维数学模型，冲刷过程中圆柱周围的切应力采用切应力定义计算，床面高程的实时变化采用动网格技术模拟。（3）应用建立的三维水流冲刷数学模型模拟了室内实验室条件下圆柱周围粘性泥沙的冲刷，获得了平衡冲刷坑形态以及最大冲刷坑深度，并与物理模型试验的结果进行了对比，二者有较好的一致性，证明了冲刷模型的合理性。（4）将所建立的三维水流局部冲刷数学模型应用于上海东海大桥附近海上风电场高桩承台多桩基础周围的局部冲刷模拟，由于动网格计算的稳定性问题，论文未能得到冲刷平衡后的冲刷深度分布，现场尺度冲刷计算还需要进一步研究。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 国内外研究进展  9-14
    1.2.1 海上风机桩式基础  9-10
    1.2.2 桩式结构物周围水流流动数值模拟  10-11
    1.2.3 水流作用下桩式结构物周围冲刷数学模型研究进展  11-14
  1.3 本文研究工作  14-16
第二章三维水流局部冲刷的数学模型  16-25
  2.1 水流数学模型  16-21
    2.1.1 流体流动的控制方程  16
    2.1.2 自由面模拟方法  16-17
    2.1.3 紊流模型  17-18
    2.1.4 数值离散  18-19
    2.1.5 方程求解方法  19-20
    2.1.6 边界条件和初始条件  20-21
  2.2 冲刷数学模型  21-23
    2.2.1 床面切应力计算  21-22
    2.2.2 冲刷原理  22
    2.2.3 动网格技术  22-23
  2.3 三维水流局部冲刷数学模型计算框架  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第三章三维水流模型的验证  25-42
  3.1 三维水流模型的建立  25-27
  3.2 模拟结果分析  27-41
    3.2.1 流速验证及流场分析  27-39
    3.2.2 床面切应力验证  39-41
  3.3 本章小结  41-42
第四章冲刷模型验证  42-53
  4.1 模型的建立  42-44
  4.2 模拟结果分析  44-52
    4.2.1 冲刷前流态  44
    4.2.2 平衡冲刷坑时刻流态及切应力分析  44-52
  4.3 本章小结  52-53
第五章海上风机基础周围冲刷的三维数值模拟  53-82
  5.1 工程背景  53-54
    5.1.1 海上风机高桩承台多桩基础简介  53
    5.1.2 工程计算条件  53-54
  5.2 模型的建立  54-56
  5.3 模拟结果分析  56-81
    5.3.1 冲刷前流场分析  56-71
    5.3.2 冲刷后流场分析  71-81
  5.4 本章小结  81-82
第六章结论与展望  82-84
  6.1 本文主要研究成果  82
  6.2 对进一步研究工作的展望  82-84
参考文献  84-88
发表论文和参加科研情况说明  88-89
致谢  89

水流作用下海上风机桩式基础局部冲刷三维数值模拟研究

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