不等直径串列圆柱绕流大涡模拟.pdf

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1、第１期水利水运工程学报Ｎｏ．１２０１７年２月ＨＹＤＲＯ⁃ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＦｅｂ．２０１７ＤＯＩ：１０．１６１９８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００９－６４０Ｘ．２０１７．０１．０１４胡彬，水庆象，王大国．不等直径串列圆柱绕流大涡模拟［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１７（１）：１０３－１１０．（ＨＵＢｉｎ，ＳＨＵＩＱｉｎｇｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧＤａｇｕｏ．Ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｐａｓｔｔｗｏｔａｎｄｅｍｃｙｌｉｎｄｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ

2、］．Ｈｙｄｒｏ⁃ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７（１）：１０３－１１０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））不等直径串列圆柱绕流大涡模拟胡彬，水庆象，王大国（西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳６２１０１０）摘要：为研究背负式海底管线中增设的小直径附属管线对主管线的水动力影响，将大涡模拟中经典Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ亚格子模型与特征线算子分裂有限元法结合，并引入出口对流边界条件，完善了基于特征线算子分裂有限元的大涡模拟方法。通过自编程序数值模拟Ｒｅ＝１０００的单圆柱绕流，计算结果与相关文献吻合较好

3、，验证了该算法计算圆柱绕流的有效性，并分析了Ｒｅ＝１０００时不同直径比、间距比情况下的串列双圆柱绕流，根据流场的不同涡脱落形态及两圆柱平均阻力系数、升力系数随直径比、间距比变化的规律得到了不同直径比条件下的临界间距范围。达到临界间距后，流场由单一涡脱落状态转变为双涡旋脱落状态。最后分析了两圆柱平均阻力系数及升力系数在临界间距后急剧增加的原因，为背负式海底管线的布局优化提供了理论依据。关键词：大涡模拟；特征线算子分裂有限元；不等直径；串列；临界间距中图分类号：ＴＶ１３１文献标志码：Ａ文章编号：１００９－６

4、４０Ｘ（２０１７）０１－０１０３－０８［１］随着石油、天然气的开采逐渐走向深海，在主管线附近铺设小直径附属管线的背负式管线在深海油田开发中显得日益重要。在背负式管线中，由于小直径附属管线的增设，主管线附近流场会发生较大变化，这种变化对主管线的受力、尾流结构及涡脱频率等都将产生影响。因此，对不等直径串列双圆柱绕流的水动力研究具有一定的工程意义及应用价值。［２］研究不等直径串列圆柱绕流的方法主要有试验方法和数值模拟方法。Ａｌａｍ＆Ｚｈｏｕ通过物理试验研究了大圆直径Ｄ＝２５ｍｍ，小圆直径ｄ＝（０．２４～１．０

5、０）Ｄ，两圆柱中心间距Ｌ＝５．５ｄ的双圆柱绕流。结果表明：当ｄ／Ｄ减小时，小圆柱的斯特劳哈尔数Ｓｒ变小，而大圆柱的Ｓｒ数和平均阻力系数增大，升力系数减小。［３］Ｚｈａｏ等用数值模拟方法研究了直径比ｄ／Ｄ＝０．２５，Ｌ≤１．１７５Ｄ的双圆柱绕流，结果表明其尾流结构均为单［４］一涡脱落形态。Ｚｈａｏ等进一步数值模拟了Ｒｅ＝５００００，ｄ／Ｄ＝０．５，Ｌ≤１．１５Ｄ的双圆柱绕流，结果表明涡［１］脱落形态仍为单一形态。Ｇａｏ等数值模拟了Ｒｅ＝３００时不等直径串列双圆柱绕流，发现在不同间距条件［５］下出现了单一涡

6、脱落和双涡旋脱落两种尾流形态。于定勇等数值模拟Ｒｅ＝２００时不同直径比、间距比情况下的串列双圆柱绕流，分析了不同直径比及间距比对涡脱落形态、圆柱受力等的影响。数值模拟方法研究不等直径串列圆柱绕流的关键是求解Ｎａｖｉｅｒ⁃Ｓｔｏｋｅｓ（Ｎ⁃Ｓ）方程及其湍流模型，其中大［６］涡模拟方法具有较高的计算精度和较少的计算量逐渐成为数值研究复杂湍流问题的重要方法。由于有限元法具有良好的几何边界和边界条件适应性，而被广泛用于Ｎａｖｉｅｒ⁃Ｓｔｏｋｅｓ（Ｎ⁃Ｓ）方程及其湍流模型的求［７］解。但经典的Ｇａｒｌｅｒｋｉｎ有

7、限元法在处理流体对流占优问题上容易出现数值振荡。为克服该困难，近年来［８］［９］发展了多种有限元法，如ＳｔｒｅａｍｌｉｎｅＵｐｗｉｎｇＰｅｔｒｏｖ⁃Ｇａｒｌｅｒｋｉｎ（ＳＵＰＧ）法、Ｔａｙｌｏｒ⁃Ｇａｒｌｅｒｋｉｎ法、特征线⁃收稿日期：２０１６－０１－２５基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１３７２３０１）；四川省教育厅科研项目（１６ＣＺ００１３，１５ＺＢ０１２４）；绵阳市科技计划资助项目（１４Ｓ－０２－６）；西南科技大学研究生创新基金资助项目（１４ｙｃｘ００３９）作者简介：胡彬（１９８９—），女，四

8、川资阳人，硕士研究生，主要从事计算流体力学的研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕｂｉｎ１８０＠１６３．ｃｏｍ通信作者：王大国（Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｄａｎｗａｎｇｇｕｏ＠１６３．ｃｏｍ）１０４水利水运工程学报２０１７年２月［１０］［１１］Ｇａｒｌｅｒｋｉｎ法。Ｗａｎｇ等将Ｔａｙｌｏｒ展开引入到特征线⁃Ｇａｒｌｅｒｋｉｎ法并结合算子分裂法的优点提出了特征线算子分裂（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ⁃ＢａｓｅｄＯｐｅｒａｔｏｒＳｐｌｉｔｔｉｎｇ，ＣＢＯＳ）有限元法。该