多因素影响下四立柱涡激运动特性研究

摘要

由于国际上海洋石油工业的不断发展，海洋平台立柱的涡激运动这一问题受到了人们的关注。本论文跟踪了国内外有关柱体涡激运动的最新研究方向，对本领域内的研究方法和进展进行了综述和分析。以海洋平台四立柱为研究对象，介绍了涡激运动的有关理论、数值模拟方法和实验方法，对均匀流中四立柱的涡激运动进行了数值模拟，探索了截面形式、来流方向和间距比对涡激运动的影响，分析了四立柱涡激运动的幅值响应、频谱特性、运动轨迹和涡脱模式。论文的具体工作和主要研究成果如下：
　　1.较为全面的回顾和分析了国内外研究柱体涡激运动问题的动态和进展，系统介绍了涡激运动问题研究过程中所涉及的流体相关参数、结构物相关参数和耦合运动的相关参数。
　　2.采用动网格技术实现柱体在流场中的运动，开发FLUENT软件与结构运动特性之间的接口程序，实现流体信息和结构信息实时传递，并通过单柱体涡激运动数值模拟对接口程序进行验证。
　　3.在不同的折合速度下，对方形四立柱和圆形四立柱涡激运动特性进行对比研究。圆形四立柱的流向最大位移比方形四立柱小，但是横向最大位移是方形四立柱的3倍多。圆形四立柱涡激运动出现了频率锁定现象，而方形四立柱则没有。方形四立柱尾涡脱落模式总体呈现出2P模式，圆形四立柱尾涡脱落在折合速度较低时呈现P+S模式，高折合速度下为2S模式。
　　4.建立不同来流方向下方形四立柱涡激运动的模型，模拟0度、15度、30度和45度来流下方形四立柱涡激运动。来流方向对涡激运动特性有着很大的影响，0度来流所对应的横向振幅和流向振幅都是最小的，流向幅值在来流方向15度下达到最大值1.60D，横向幅值在来流方向30度下达到最大值1.22D。由于柱体之间的相互干扰作用，运动轨迹和尾涡脱落模式都比较凌乱。
　　5.建立不同间距比下方形四立柱涡激运动的模型，模拟间距比3.0、4.0和5.0工况下方形四立柱涡激运动。间距比3.0、4.0和5.0工况下，流向和横向振幅随折合速度的增大先增大到一定的数值，然后在其值左右振荡。流向幅值在间距比5.0工况下达到最大值0.39D，横向幅值在间距比3.0下达到最大值1.22D。流向平衡位置远离初始位置的距离和升力系数的主频率均随着折合速度的增大而增大。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2涡激运动的概念

1.3柱体涡激运动国内外研究研究现状

1.4 柱体涡激运动的研究趋势

1.5论文主要工作

第2章 涡激运动基本理论

2.1 概述

2.2边界层与流动分离

2.3涡激运动基本参数

2.4柱体涡激运动主要特性

2.5本章小结

第3章 涡激运动数值模拟方法

3.1 概述

3.2 有限体积法

3.3 湍流的基本控制方程

3.4 湍流模型

3.5 动网格方法

3.6 四阶龙格库塔方法

3.7 数值方法验证

3.8 本章小结

第4章 方形四立柱与圆形四立柱涡激运动特性研究

4.1概述

4.2数值计算模型

4.3方形四立柱与圆形四立柱涡激运动响应

4.4 本章小结

第5章 来流方向对方形四立柱涡激运动的影响

5.1概述

5.2数值计算模型

5.3不同来流方向下方形四立柱涡激运动响应

5.4 本章小结

第6章 间距比对方形四立柱涡激运动的影响

6.1概述

6.2数值计算模型

6.3不同间距比下方形四立柱涡激运动响应

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢