不同倒角半径柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,本文使用Fluent软件,采用大涡模拟对雷诺数Re=3 900下的6种不同倒角半径的三维柱体进行了研究。在模型验证基础上,分析了由方柱渐变到圆柱过程中后方流场速度的时均特性及瞬时涡脱落变化规律,给出了不同倒角半径下的升、阻力系数值及无量纲涡脱频率St数。分析结果表明:平均阻力系数随倒角半径的增加而降低,在倒角半径为0.2D时下降速率最大,相较方柱降幅达到50%;升力系数均方根在倒角半径为0.1D~0.2D时变化最显著,减小约93%; St数随倒角半径增加而增大,在倒角半径为0.4D时可达到最大值;回流区长度随倒角半径的增加呈先增大后减小的趋势,其长度在倒角半径为0.2D时达到最大;尾涡宽度在倒角半径为0.0D最大,后随倒角半径增加逐渐下降,且当倒角半径大于0.2D以后变化不大。本文研究结果可为柱体绕流研究及相关工程应用提供参考。     

不同倒角半径四柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究四柱体布置情况下倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,使用Fluent软件,采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3 900下6种不同倒角半径的柱体在方形四柱体布置时的三维流场。在模型分析验证有效后,分析了柱体后方瞬时流场、水动力参数、时均流场的变化情况。分析结果表明:随着倒角半径的增大,上游柱体的平均阻力系数逐渐减小,下游柱体的平均阻力系数除了在R~+=0.1处增幅很大以外,其余均随倒角半径变大而平稳变大;各柱体的升力系数均方根变化趋势基本相同;R~+=0.1、0.5时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相反,而在R~+=0.2、0.3和0.4时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相同。     

并列双圆柱绕流的水动力特性研究

多柱体系统在石油开采逐渐向深海发展的过程中得到广泛的应用,由于波浪、流对多柱体的影响易导致其破坏。因此研究多柱体系统绕流具有重大价值。目前多不等直径多柱体绕流的研究还有待深入。本文利用Fluent模拟雷诺数Re=3 900,G/D为0.1~2.5,d/D为0.5、1.0情况下并列双圆柱的绕流过程,并根据模拟结果分析G/D和d/D的变化对大、小柱体涡脱落形态、升力系数Cl、阻力系数Cd和St值的影响。结果表明,随着G/D变化,涡脱落形态会呈现出不同的形式,绕流参数值也随之发生变化。当0G/D≤0.2时,柱后只有一个涡脱落,为单一涡脱落区,升、阻力系数值存在突变,St值小于单柱St值;当0.2G/D≤0.5~1.0时,柱后出现交替的偏斜流,为偏斜流区,升、阻力系数随着G/D的增大而减小,St值在两个极值之间变化;当0.5~1.0G/D≤2.5时,柱后有成对的涡旋,为双旋涡脱落区,升阻力系数值趋于稳定,St值稳定在0.2左右。偏斜流区与双旋涡脱落区之间的临界间距比G/D随着d/D的增大而增大;不等直径情况下,间隙流偏斜对大柱的影响小于对小柱的影响。     

不同倒角半径下方柱绕流的数值模拟及水动力特性研究

为了研究不同倒角半径对方柱绕流特性的影响,采用有限体积法,模拟了雷诺数Re为22 500、倒角半径为0.1D(D为方柱边长的长度)、0.2D和0.3D时方柱的绕流过程。方柱近壁面采用增强壁面函数,模型采用SST k–?湍流模型。根据模拟结果给出了不同倒角半径下方柱的流场涡量图以及阻力系数Cd和升力系数Cl;利用快速傅里叶变换法得到斯托罗哈数St。结果表明,倒角半径的增加改变了方柱的分离点,使得尾流区长度增加,旋涡尺度减小;Cd和Cl的振动幅值呈现先减小后增大的趋势,倒角半径为0.1D和0.2D时方柱受力较小,不存在倒角时方柱受力较大,倒角半径为0.3D时方柱受力最大;随着倒角半径的增加,柱体截面形式越接近圆形,斯托罗哈数逐渐增大,漩涡脱落频率更快。     

振荡流作用下圆柱体结构的水动力特性研究

圆柱绕流作为流体力学领域中的经典问题,近年来得到了广泛的关注和研究。开展振荡流下二维圆柱的水动力特性和漩涡发放形态研究将为认识和理解圆柱绕流特性提供重要参考。基于RANS方程,采用k-ωSST湍流模型,首先通过对比雷诺数10 000时均匀流下的受迫振动试验数据,验证了研究方法的可行性,进而开展了振荡流下圆柱绕流的数值模拟,对比讨论了5种KC数下流体力系数变化情况及漩涡脱落模式,并开展了升力系数时历分析。结果表明:在低振幅、低频率下,小KC数时激励力系数变化较大,大KC数时流态趋向于均匀流,激励力系数变化较小。在大KC数时可以观察到较为明显的2S脱落模式,升力系数在每一周期内出现两次振幅调制现象,小KC数时流体变化较快,规律性相对较弱。     

变性绕极深层水入侵时南极普里兹湾湍流混合特征研究

基于中国第28、29和31次南极科学考察中的CTD数据,利用Thorpe尺度方法计算了普里兹湾及其附近海域湍动能耗散率,分析了其分布特征,并对当地的水团结构进行研究.结果表明,普里兹湾及其附近海域中,前两个航次观测中次表层湍动能耗散率强度在陆架坡折区域达到最大.在水团分布方面,在第28和29航次中均观测到了变性绕极深层...     

组合动力锚水动力特性数值模拟研究

作为海上浮式结构物的一种新型锚固基础,动力锚具有自安装、不受水深影响、适用范围广的特点。在动力锚的基础上研发的组合动力锚结合了动力锚自安装和板锚法向受荷的特点,具有安装快速、适用多种类型海床、承载效率高等性质。组合动力锚在水中自由下落时的水动力学特性（下落速度、方向稳定性等）会受到锚链、尾翼宽度和助推器质量等因素影响。若下落速度过小或方向稳定性过差,则会影响锚的安装成功率。采用计算流体动力学方法模拟流体对锚的冲击和锚在水中自由下落过程,以优化组合动力锚的尾翼尺寸;其次研究锚链作用力和助推器质量对组合动力锚下落速度和偏角的影响规律。计算结果表明：组合动力锚的拖曳阻力系数为0.45左右,尾翼宽度最优尺寸为翼板宽度的1.25倍。连接在锚眼处的锚链会减小组合动力锚的下落速度并加剧锚的偏转,需综合锚的下落速度和偏角来确定锚在水中下落高度。     

错列不等直径双圆柱绕流特性数值研究

为研究低亚临界雷诺数Re情况下错列角度θ对不等直径双柱体绕流特性的影响,利用Fluent软件模拟了Re为3 900、间距比G/D为2.0、直径比D/d为0.5、θ=0°~180°之间9种角度的绕流过程,得到了流场涡量图、斯特鲁哈数St_1和St_2、平均阻力系数C_(d1)和C_(d2)以及平均升力系数C_(l1)和C_(l2)。研究结果表明,随着θ的从小到大,St_1先增大后减小,且在θ=30°和180°时有两个值,St_2在θ=120°~150°时明显小于其它角度;C_(d1)和C_(d2)的整体趋势都是先增大后减小,C_(l1)在θ=150°时取得极大值,C_(l2)在θ=30°时取得极小值。θ=0°时,两柱后方有单一涡脱落形态;θ=30°时,小柱后方有稳定漩涡脱落产生,大柱后方涡脱落受到干扰,且大柱有两个涡脱落频率;θ=45°~90°时,在间隙流的作用下,两柱后方均有漩涡脱落,尾流中有两列涡街;θ=120°~180°时,大柱后有稳定漩涡脱落,小柱涡脱落受到抑制。研究结果可为相关海洋工程设计提供参考。     

碟形网箱水动力特性的研究

根据物模实验得到碟形网箱在不同海况条件下的受力并给出了其估算方法和公式及其相关系数的取值,同时总结了碟形网箱的运动特性。     

Savonius型桨叶水动力特性研究

Savonius桨叶是一种典型的垂直轴阻力型桨叶,在风力发电中广泛应用。这种桨叶具有在多风向作用下单向转动的特性。利用该特性,将其应用于捕获水质点运动方向发生周期性或非周期性改变的波浪能的相关研究。采用Fluent数值仿真软件并基于UDF二次开发技术建立桨叶三维数值模型,分析叶片重叠率、相对入水深度和开口率等参数对桨叶动转矩和功率等水动力特性的影响,搭建实验平台,开展物理模型对照试验。研究结果表明:叶片重叠率有助于减小S型桨叶负转矩;当桨叶在水面上高度与波幅相等时,其功率系数达到最大;在叶片上增加弹片阀开口,可以增大桨叶动转矩系数,当开口面积达到一半时,动转矩系数比未开口桨叶提高28.3%。     

德雷克海峡绕极流和锋面的研究

利用我国第九次南极考察队获得的德雷克海峡地区水温资料,并结合国外锚碇浮标和测流资料,分析和研究了德雷克海峡绕极流和锋面的时间变化和空间变化.研究表明,德雷克海峡绕极流的流速共有3个强流区,就德雷克海峡上层海流的空间变化而言,以亚南极锋附近的海流最强,流向和流速也最稳定少变.德雷克海峡深层海流的空间分布特点与上层海流的空间分布特点不同,深层流速明显减弱,且稳定性差.德雷克海峡绕极流有着明显的时间变化,但是这种时间变化因地而异.极锋附近在冬春季节是稳定的深层北向流,它与南半球高纬度的冬、春季节的Ventilation过程有着密切的关系,德雷克海峡上层水温的空间分布具有明显的锋面分布特征.水温在德雷克海峡的高纬度区更加稳定少变,而极锋附近深层海水温度随时间的变化最大.     

三门湾近期水动力特性观测研究

利用2013年夏季包括大、中、小潮的三门湾大范围、同步水文观测资料,系统分析了三门湾近期潮动力的时空变化特征.结果表明,三门湾属于强潮海湾,湾顶处的各项潮汐特征值均大于湾口处.潮汐属于正规半日潮性质,潮波在向湾顶传播过程中浅水分潮增强明显.涨、落潮流历时相当,涨、落潮平均流速大小也比较接近,整体上优势流保持在45%~58%之间,涨落潮动力相对平衡.涨、落潮流矢表现出明显的往复流运动形式,整体涨落潮流向顺应三门湾的平面形态,主流向与湾内等深线基本平行.底摩擦对潮流的垂向结构作用明显,流速在垂向方向存在着明显的差异,大致成对数型结构分布,即表层或次表层流速最大,越靠下层流速越小,底层流速最小.各个测站之间,底层流速相对集中,越靠上层各测站之间流速大小差异越大,表层和次表层各站点之间流速大小差异最大.流速梯度极大值出现在急流附近,流速梯度的极小值出现在憩流附近.海床底部的粗糙度对流速梯度有着较大的影响.     

南印度洋绕极深层水的性质和空间分布以及南极绕极流的作用

利用世界大洋环流实验的南大洋观测温度、盐度和溶解氧资料,分析并说明了南印度洋绕极深层水的性质和空间分布特征,比较了30°E,90°E和145°E断面上温度、盐度和溶解氧的垂直分布及其异同,着重指出,在南印度洋的这3个不同经度断面上,绕极深层水和锋面的不同特征与南极绕极流越洋输运和南印度洋绕极深层水的经向运动有着密切的关系。实际上,绕极流的越洋输运是南大西洋与南印度洋之间以及南印度洋与南太平洋之间水交换的主要动力因素,对形成绕极深层水的物理性质的空间分布有着重要的作用。     

潜体绕流及远场声特性分析

首先采用SST（shear-stress transport）k-ω两方程湍流模型求解了潜体三维非定常粘性流场,然后基于Lighthill声类比理论,对潜体流噪声的远场特性进行了数值分析,并探讨了攻角的影响。研究结果显示,基于所研究的潜体外形,潜体在舷侧及深度等正横方向上的声辐射显著高于潜体在艏、艉等轴向上的声辐射,攻角的存在使声辐射增大。     

新型水下钻井装置水动力特性研究

以锚泊半潜式钻井平台在规则波作用下的运动数值预报为基础,分析钻井平台诱导运动下,与平台相连的新型水下钻井装置水动力特性,以及该钻井装置各关键节点处的受力情况,评估该诱导水动力作用的重要性,及该系统在各种海况下的安全性能。     

龙口市人工岛周边海域波浪场和水动力场的数值模拟

为了科学的分析离岸人工岛群对周边海岸动力的影响,本文以龙口市人工岛为例,运用MIKE21数值模拟软件建立了龙口离岸人工岛及附近海域的水动力模型和波浪模型,根据波浪的生成、成长和传播原理,针对最有可能形成较大波浪的W、WNW、NW三个方向,采用频率为0.5%(重现期为200a)的高潮位叠加频率为0.5%(重现期为200a)的W、WNW和NW向风作用下的波浪场和水动力场进行数值模拟研究,给出了高潮位条件下人工岛周边不同波向对应的有效波高和最大波高值,以及最大流速和流向数据,可为人工岛群的地坪标高确立和防浪建筑物的布设提供科学依据。     

考虑植物影响的波浪和波生流迭加条件下水动力特性数值模拟研究

海岸湿地是近海地区重要的生态系统,由于潮流、波浪尤其是非连续水流与植被的相互作用,导致该海域的水动力环境复杂多变。本文发展了一个深度平均二维波流耦合数学模型,模拟湿地海域波浪和波生沿岸流的运动特性。水动力模型中植物拖曳力作为源项放入动量方程中,在波浪作用量平衡方程增加波能耗散项用于解释水生植物对波浪产生的阻力作用。在动态耦合模型中,波浪模型为潮流模型提供波浪辐射应力、波高、波浪周期等数据信息,潮流模型为波浪模型提供计算的水位和流速,可以达到双向动态耦合。本文发展的波流耦合模型通过三个实验室试验数据加以验证,计算结果和实验数据吻合较好,在波浪、波生流和植物迭加条件下,所建模型能够有效地模拟波浪、沿岸流等不同现象。     

五圆柱体结构群绕流特性及互扰效应研究

基于Fluent流体计算平台,运用大涡模拟方法对亚临界雷诺数Re=3900下“X”形排列五圆柱体结构群三维绕流特性进行研究,主要分析来流攻角α与间距比L/D两个关键参数对五圆柱体结构群的尾流区三维涡结构演化与流体力系数的影响,并揭示其内在流动互扰机理。研究表明:来流攻角和间距比的变化对五圆柱体结构群流动控制及互扰效应的影响显著。在小间距比工况下,观察到柱体群间隙区域内流体高速流动的现象,导致五圆柱体之间的互扰作用十分强烈。间隙流对中间圆柱体和下游圆柱体有较强的冲击作用,对其表面的流体力分布特性有显著的影响。另外,大间距比工况下,当α=0°与L/D≥5.0工况时,柱体群尾流效应强于其间隙流效应。当α=22.5°与L/D=7.0时,位于下游与中间处的圆柱体流体绕流特性存在较大差异。而当α=45°与L/D≥6.0时,位于上游与中间处的圆柱体尾流区均会产生正负交替的漩涡结构。     

潮流和径流作用下大沽河河口区水动力特性研究

基于Mike21软件,建立了潮流和径流作用下大沽河河口区水动力数学模型。利用数学模型,对纯潮流作用下的潮位、潮流进行了模拟,并与实测资料进行了验证;在此基础上,对大潮期间不同径流作用下的潮位、潮流进行预测分析。结果表明:随着径流量增加,潮位相应增加,潮差相应减小。高潮位时,径流量对潮差的影响较小。低潮位时,径流量对潮差的影响较大。随着径流量的增加,涨潮历时缩短,落潮历时增加,涨落潮历时比值降低;涨潮流速则变小,落潮流速增加;流向整体趋势变化不大。平水期径流条件下,涨急和落急时刻径流影响范围分别为65.5和120.2km2;丰水期径流条件下,涨急和落急时刻径流影响范围分别为144.9和165.0km2。     

近壁圆柱绕流水动力特性数值模拟与实验研究

通过数值模拟和物理模型实验,对距壁面一定高度的圆柱绕流水动力特性进行了研究。数值模拟采用有限体积法对标准k-ε模式方程进行离散,采用SIMPLE算法进行求解,模拟绕流流场。在物理模型实验中,将PVC圆管制作的实验模型安放在水槽内,在圆管的跨中沿表面周向均匀布置水下压力传感器,用于测量绕流圆柱体表面动水压力分布。通过改变Re数和间隙比来分析它们对近壁圆柱绕流水动力特性的影响。基于数值流动显示技术,给出了近壁绕流流场的尾流流态分析。通过数值结果与实验结果的对比,对近壁绕流圆柱体的升力系数及其表面动水压力分布进行了研究,对比结果显示了较好的一致性。