不等直径串列双圆柱体绕流的数值分析

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1、5．2．2升力、阻力系数⋯⋯．．．．，．⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯385．2．3涡脱落频率．⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．455．2．4雷诺数对尾流形态的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯485。3小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．⋯．⋯496结论与展望．．⋯．．．⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯．．506．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯516．2展望⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯．．．．⋯⋯⋯．51参考文献⋯．．．⋯．．⋯⋯．．⋯．⋯．．．．．⋯．．．．．．

2、．．．．．⋯52致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯．⋯⋯．．．．．．55个人简历⋯⋯．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．⋯．．56发表的学术论文．⋯．⋯．．．．．．⋯⋯．．．．．．．⋯．．．．．⋯．⋯56个等直径串列双圆柱f木绕流的数值研究1绪论1．1研究背景及研究意义在当今的工程中，桩柱以及桩柱群是经常采用的一种结构形式，航天航空、海洋二[程、土木、核工程、机械等领域都会涉及到多柱体系统静止绕流与涡激振动问题的研究，例如管束的热交换，高大建筑物，海洋平台及桥梁，海洋立管及海底管线等。

3、多柱体系统绕流出于存在强烈的相互干扰，致使其流动分离、压力分布、旋涡脱落及作用力等方面与单柱体绕流有较大的差异。在近些年，随着石油、天然气的开采逐渐进入深海区，多柱体系统静止绕流及涡激振动问题的研究已成为流体力学理论研究和工程应用方面的一个热点。近年来，伴随着陆地石油、天然气资源的F1益干枯，石油、天然气的丌采不断的走向深海区，因此对海洋结构装置如海洋平台、立管等的安全要求也提高了。目前在海洋石油以及天然气工程中，出于技术的需要和节约经济的角度考虑，在管线铺设过程中需要在主管线附近布置直径较小的辅助管线当做纽带

4、，在安装过程中为了保证小宜径管线在海底和海洋平台之间具有足够的支撑，经常会利用夹钳来使得小直径的管线附着在主管线之上，这种布置方式称为背负式(图i-i)。这种布置形式可有效的降低安装管线的成本。然而，从另一个角度来说，小直径管线的增设会对主管线附近区域产生一定的水动力影响，现在还未充分认识这种影响，因此对直径不等的多柱体系统的水动力特性研究具有很强的理论和应用价值。．彳i等直径串列双网柱体绕流的数值研究———————————————————————————————————————————————————————

5、—一图卜1背负式海底管线目前在多柱体绕流领域的研究多是关于等直径刚性柱或者柱群的，主要集中在定常流中串列、并列、交错排列形式下的等直径双柱体绕流的研究。而目前在直径不等的多柱体静止绕流与涡激振动问题上的研究比较少。1．2多柱体绕流研究现状串列或并列情形下多柱体绕流，由于邻近圆柱各自涡脱落的影响，会导致柱体的受力和涡脱落现象与单圆柱时的情况有很大的差别，并且尾流形态在不同间距下会呈现不同的形式。目前关于多柱体静止绕流的研究，大多是围绕着等直径柱群进行的。1．2．1等直径多柱体静止绕流研究现状在实验研究方面，Bea

6、rman&Wadcock【lJ通过研究并列双圆柱体之间的相互作用进而发现由于相邻圆柱体的存在使圆柱周期变换的合力，这导致并列双圆柱上受到的力呈现相互排斥的特征。于此同时，Bearman&Wadcock还发现近尾迹流体的现象特性决定了不对称的尾流结构的存在，而非预想的边界层分离位置决定的。Zdravkovich12-3]综述了均匀来流情况下双圆柱在不同排列形式下绕流时的流体固体相互作用，通过观察发现由于相邻圆柱体各自涡脱落或在上游的圆柱体尾部涡脱落的影响，即便是在同一雷诺数Re下，最终得到的流体力和涡脱落现象也变

7、得相当复杂，这与单圆柱情况下的绕流现象存在较大的差异。尾流形2企等直径串州双圆柱体绕流的数值研究念随着柱体的问距比三／D或71／D的变化会呈现多种形式，表现出各种不同的流体流动图案。Williamson14]实验研究并分析了并列双圆柱体的尾流流动的演变过程。通过分析实验数据并列双圆柱体间距在一定的范围内时，双圆柱体的尾流流动呈现出同步的现象，包括同相(InPhase)幂N反相(InAnti．phase)两种形式。Williamson还发现当间距比丁／D<2．2时，两柱体后的尾流会呈现不对称的流动形态和高次频率的

8、涡脱落模态，并且尾流一侧的涡脱落频率为另一侧的倍数。Sumner等【5】利用流动可视化技术、热膜风速仪及粒子图像测速技术对并列双圆柱及三圆柱在间距比丁／D=1．0—6．0，雷诺数Re=500．3000条件下的流态特征进行了实验研究。此外Sumner[61对近年来不同排列方式下的等直径双圆柱的静止绕流现象进行了综述。圆柱体静止绕流问题的数值模拟研究主要集中在低雷诺数的情况。Chang和S