圆柱体结构群绕流特性数值模拟研究

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1、学校代码10530学号201510181919分类号TU352.2密级公开硕士学位论文圆柱体结构群绕流特性数值模拟研究学位申请人曹波指导教师涂佳黄副教授学院名称土木工程与力学学院学科专业结构工程研究方向结构设计理论与安全服役二零一八年六月NumericalSimulationStudyonCharacteristicsofFlowAroundCircularCylindersGroupCandidateBoCaoSupervisorAssociateProfessorJiahuangTuCollegeCollegeo

2、fCivilEngineeringandMechanicsProgramStructuralEngineeringSpecializationStructuralDesignTheoryandSafeServiceDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018本论文受国家自然科学基金重点项目(编号：51434002）：深海矿产资源开采系统对复杂工作环境的响应机理研究.国家自然科学基金青年项目(编号：11602214）：阵列排布柱体群

3、绕流与涡激振动互扰机理研究.湖南省自然科学基金青年项目(编号：2016JJ3177）：复杂来流作用下钝体结构流致振动效应及其被动控的研究.中国博士后科学基金项目（编号：2017M622593）：大长径比细长结构物流致运动特性及机理研究.湖南省教育厅科学研究项目(编号：15C13118）：带分隔板控制措施的圆柱体结构流致振动特性及其控制性能研究.中国大洋协会国家海域资源调查与开发“十二五”课题(编号：DYI125-14-T-03）：面向海试的多金属结核集矿系统研制与集成.资助湘潭大学工学硕士学位论文摘要圆柱体结构群广泛

4、存在于实际工程领域中，如高层建筑、冷却塔、拉索和桥塔等。流体载荷会影响该类结构的强度、稳定性和安全性。基于Fluent计算平台，本文运用大涡模拟方法，对亚临界雷诺数下圆柱体结构群三维绕流问题进行数值计算，全面深入分析串列双圆柱体、正方形排列四圆柱体和“X”形排列五圆柱体结构群绕流特性，并阐述其互扰效应和干扰机理，可为工程设计提供参考依据。本文主要研究工作如下：（1）研究雷诺数Re=3900下串列双圆柱体三维绕流问题，分析间距比对串列双圆柱体的流体力系数及其尾流场分布特性的影响，并阐明其内在的互扰效应和力学机制。研究发

5、现：随间距比的增加，双圆柱体中间区域流场会发生较大的变化，流场流动模式由再附着模式转变为尾流冲击模式。（2）研究雷诺数Re=3900下正方形排列四圆柱体结构群三维绕流问题，分析来流攻角（α）与间距比（L/D）两个关键参数对四圆柱体的流体力系数及其尾流场分布特性的影响，并阐明其内在的互扰效应与力学机制。研究发现：来流攻角和间距比的变化对四圆柱体结构群绕流特性、流场流动模态及其互扰效应的影响较大。当α=0°、22.5°和45°时，不同间距比工况下，正方形排列四圆柱体结构群绕流的临界间距比分别为3.5、3.5和3.0，其流

6、动互扰机理由临近效应转变至尾流效应。另外，小间距比工况下，间隙流体区域会发生高速流动现象。大间距比工况下，上游圆柱体的绕流特性类似于单圆柱体工况，下游圆柱体受到上游圆柱体尾流的干扰作用增强。（3）研究雷诺数Re=3900下“X”形排列五圆柱体结构群三维绕流问题，分析来流攻角与间距比两个关键参数对五圆柱体的流体力系数及其尾流场分布特性的影响，并阐明其内在的互扰效应与力学机制。研究发现：来流攻角和间距比的变化对五圆柱体结构群绕流特性、流场流动模态及其互扰效应的影响较大。当α=0°、22.5°和45°时，“X”形排列五圆柱

7、体结构群绕流的临界间距比分别为5.0、6.0和6.0。当α=0°与L/D=5.0-7.0时，间隙流效应强于尾流效应。当α=22.5°与L/D=7.0时，下游圆柱体和中间圆柱体两侧流体流动特性依然有差别。当α=45°与L/D=5.0时，上游圆柱体尾流区没有发生涡脱落现象，而中间圆柱体会发生涡脱落现象。当间距比增大至6.0-7.0时，上游圆柱体和中间圆柱体尾流场均有漩涡的生成与脱落。关键词：圆柱体结构群；间距比；来流攻角；尾流模态；互扰效应；大涡模拟I圆柱结构群绕流特性数值模拟研究ABSTRACTTheflowaroun

8、dcircularcylinderstructuregrouparewidelyencounteredinmanyengineeringapplications,suchashigh-risebuildings,transmissiontower,cableandbridgetower,tonamebutafew.Thefluidloadhas