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圆柱受迫振动的二维数值研究

作　者: 赵静
导　师: 董国海；吕林
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 受迫振动 N-S方程涡激振动湍流模型流线迎风有限元 ALE方法
分类号: U656.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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引　用: 2次
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内容摘要

随着海洋油气资源的开发逐步向深海推进,各种适应深海水域环境的采油平台纷纷涌现。不论采用何种形式的结构物开发海洋油气资源,都不可避免地要使用圆柱形结构,例如支撑立管、输油管线等。它们连接了海底矿藏与海面的作业平台,是海洋基础结构的关键组成部分,是进行深水石油天然气开采不可或缺的设备。一直以来,立管问题都是海洋工程的重要研究内容,通常将立管的运动简化为圆柱体的受迫振动和自由振动两种基本类型,二者都是用来研究涡激振动的简化模型。相比而言,受迫振动较自激振动能更多地反映出涡与柱体振动之间的相互作用以及能量转移的信息,因此本文主要针对圆柱体的受迫振动进行数值研究。本文在Navier-Stokes方程和k-ω湍流模型的基础上,利用流线迎风有限元方法结合ALE动网格技术,对稳定流中低雷诺数(Re=100,Re=200)和亚临界雷诺数(Re=10000)下的圆柱受迫振动问题开展了数值模拟研究。着重从升阻力历时曲线,升阻力随振动频率的变化关系,受迫振动锁定区间的划分以及尾流场涡流形态几个方面进行分析。计算中,首先在圆柱振幅一定的条件下,通过固定圆柱运动的振幅,得到了圆柱受力随振动频率的变化关系:研究表明,锁定发生前,升阻力值随振动频率的增大而增大;当振动频率接近自然泄涡频率时,升阻力值都将达到最大值,此时振动发生锁定;随着振动频率的继续增加,振动逐渐远离锁定区,升阻力值在经历短暂减小过程后再次增大。另外,结合升阻力变化关系,通过FFT频谱分析,划分了各个振幅下的锁定区间,并和已有实验和数值结果比较良好。通过对尾流场泄涡形式的分析,分别得到了2S,2P,P+S三种典型受迫振动尾流模式。总体来讲,本文采用的二维数值模型能够基本正确地反映出圆柱发生受迫振动时的涡激振动特性以及有关的受力变化趋势,这为今后进一步开展三维数值分析工作奠定了重要的基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-25
  1.1 研究背景和意义  8-11
  1.2 圆柱涡激振动研究进展  11-20
    1.2.1 涡激振动的研究现状  11
    1.2.2 涡激振动的机理  11-13
    1.2.3 涡激振动的基本参数  13-18
    1.2.4 涡激振动的研究方法  18-20
  1.3 圆柱受追振动研究进展  20-24
    1.3.1 受迫振动的研究现状  21-22
    1.3.2 受迫振动的运动方程和流体力  22-24
    1.3.3 受迫振动的尾涡形式  24
  1.4 本文的主要工作  24-25
2 数值模型的建立和验证  25-35
  2.1 模型建立  25-29
    2.1.1 控制方程  25-26
    2.1.2 方程离散  26-29
  2.2 模型验证  29-35
    2.2.1 网格的划分与测试  29-30
    2.2.2 模型验证  30-35
3 低雷诺数下圆柱受迫振动的数值模拟  35-51
  3.1 Re=100时的受迫振动数值模拟  35-43
    3.1.1 流体力  35-39
    3.1.2 锁定分析  39-41
    3.1.3 尾涡模式  41-43
  3.2 Re=200时的受迫振动数值模拟  43-50
    3.2.1 流体力  43-47
    3.2.2 锁定分析  47-48
    3.2.3 尾涡模式  48-50
  3.3 结论  50-51
4 亚临界雷诺数下圆柱受迫振动的数值模拟  51-71
  4.1 力系数计算结果  51-64
    4.1.1 A=0.25组合的受迫振动数值模拟  51-54
    4.1.2 A=0.30组合的受迫振动数值模拟  54-57
    4.1.3 A=0.40组合的受迫振动数值模拟  57-60
    4.1.4 A=0.50组合的受迫振动数值模拟  60-64
  4.2 锁定分析  64-66
  4.3 尾涡图分析  66-68
  4.4 结论  68-71
5 结论与展望  71-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  76-77
致谢  77-78

圆柱受迫振动的二维数值研究

内容摘要

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