波、流與直立式結構物相互作用的三維模擬研究

《波、流與直立式結構物相互作用的三維模擬研究》是依託大連理工大學,由艾叢芳擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：波、流與直立式結構物相互作用的三維模擬研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：艾叢芳

項目摘要

本項目首先通過與試驗數據對比驗證課題組已建立的三維非靜壓模型具備模擬波、流與直立式結構物相互作用的能力。然後，通過波、流單獨存在時以及二者共存時與直立圓柱相互作用的模擬，分析直立圓柱底部剪下應力的放大現象，並且通過對比波、流共同作用下和均勻流單獨作用下的模擬結果，揭示在波、流共存時，波浪的存在對直立式結構物尾部旋渦脫落的強度和頻率的影響，以及對其底部剪下應力放大現象的影響。同時，也對波、流共存時，忽略直立式結構物尾部旋渦脫落現象對其所受作用力的影響進行分析。最後，研究還將揭示波、流共存時KC數的變化對直立式結構物尾部旋渦脫落的強度和頻率的影響以及對其附近底部剪下應力放大現象的影響；分析在繞流特徵雷諾數Re和KC數相同時，直立式結構物不同的橫截面形狀對結構物尾部旋渦脫落的強度和頻率以及對其底部剪下應力放大現象的影響。研究成果可以為直立式海洋結構物的設計以及其附近床面的沖刷保護提供依據。

結題摘要

本項目採用建立的三維非靜壓模型對波、流與直立式結構物的相互作用進行了模擬研究，主要包括波、流共同作用下與直立圓柱和直立方柱的模擬以及規則波單獨作用下與直立圓柱相互作用的模擬，同時為了對比分析還對均勻流單獨作用下與直立圓柱的相互作用進行了模擬研究。相對於常套用於模擬波、流共存時與結構物相互作用的勢流模型，本研究所採用的三維非靜壓模型可以更加準確有效地模擬波、流共同作用下與結構物的相互作用，尤其是直立式結構物，在波、流的共同作用下，其尾部往往會產生旋渦脫落現象，而勢流模型是一類基於無旋假設的模型，無法模擬出旋渦脫落這一現象。研究中，首先，通過與試驗數據對比，驗證課題組已建立的三維非靜壓模型具備模擬波、流與直立式結構物相互作用的能力，包括模擬規則波、均勻流單獨作用下與直立式結構物相互作用的能力，以及二者共同作用下與直立式結構物相互作用的能力。然後，對波、流單獨存在時以及二者共存時與直立圓柱的相互作用進行了模擬研究。研究發現，波浪的存在增強了圓柱尾部旋渦脫落的強度，降低了圓柱尾部旋渦脫落的頻率。忽略旋渦脫落現象會導致明顯低估圓柱在x軸方向所受作用力。波浪的存在會較為明顯地增強圓柱附近底部的剪下應力，但是對最大剪下應力出現的位置幾乎沒有影響。最後，對同向規則波、均勻流共存的條件下與直立方柱的相互作用進行了模擬研究。研究發現隨著KC數的增大，方柱尾部旋渦脫落的強度增加，頻率減小。隨著KC數的增大，方柱附近底部最大剪下應力的位置幾乎沒有變化，最大剪下應力的值稍有增加。研究還通過對比在繞流特徵雷諾數Re和KC數相同時，波、流共存時與直立圓柱和直立方柱相互作用的模擬結果，發現方柱尾部旋渦脫落的強度和頻率都要比圓柱的小。方柱和圓柱附近底部最大剪下應力的位置明顯不同，方柱附近底部最大剪下應力稍大於圓柱。研究成果可以為直立式海洋結構物的設計以及其附近床面的沖刷保護提供依據。