论流体力学海洋立管涡致耦合振动CFD数值模拟一般

论文导读：激振动及抑振效果；在此基础上，对多个圆柱体涡激振动的干涉不足进行了数值模拟探讨；最后对深水立管结构进行准三维涡激振动数值模拟。具体内容如下：1、流体—圆柱体结构耦合振动数值模拟策略探讨在总结浅析国内外对CFD流固耦合探讨近况的基础上，本论文考虑了涡激振动参数并结合CFD策略，建立流固耦合系统的涡致振动无量纲数值模
摘要：本论文基于计算流体力学（CFD）与计算结构动力学（CSD）策略，对圆柱体的涡激振动响应进行数值模拟，探讨不同工况下柱体受力系数、振动幅值以及尾流漩涡脱落方式等变化规律，探讨海洋立管的涡激振动机理；并进一步探讨带抑振装置圆柱体的涡激振动及抑振效果；在此基础上，对多个圆柱体涡激振动的干涉不足进行了数值模拟探讨；最后对深水立管结构进行准三维涡激振动数值模拟。具体内容如下：1、流体—圆柱体结构耦合振动数值模拟策略探讨在总结浅析国内外对CFD流固耦合探讨近况的基础上，本论文考虑了涡激振动参数并结合CFD策略，建立流固耦合系统的涡致振动无量纲数值模型。选择SST k模型模拟流场变化，同时采取Newmark-β法制约柱体边界的运动。最后给出流固耦合求解的具体实现策略，确定流固耦合数值模拟的求解流程，并编制相应的计算程序。2、单圆柱体涡激耦合振动数值模拟首先，以单圆柱体为基础建立了单柱体涡激振动CFD数值模型，并编制fsi-xy.c结构运动程序。通过得到的受力系数与振幅变化规律，浅析圆柱体在流体作用下的运动规律。给出尾流涡结构，揭示柱体振动与漩涡脱落方式间的联系。3、带抑振装置柱体涡激耦合振动数值模拟运用流体—柱体结构耦合振动数值模拟策略探讨带抑振装置单柱体的二维涡激振动响应。分别建立尾翼为14mm、10mm的带三角导流板柱体以及带板状导流板柱体的流固耦合数值模型，并根据流固耦合系统求解流程对其进行模拟。分别将模拟得到的带抑振柱体振动幅值与受力系数的变走势、振动响应时程曲线、质心运动轨迹以及不同截面柱体尾流漩涡脱落方式等结果与单圆柱体模拟结果进行比较，浅析不同抑振装置的工作原理。4、群柱系统干扰效应数值模拟针对实际海洋工程中常见的串联与并列两种形式圆柱体进行涡激振动数值模拟。分别建立柱间距比L/D=3~10串联排列，以及柱距比G/D=5~10的并列排列两圆柱体流固耦合数值模型，编制fsi-2c-xy.c结构运动程序，并采取特殊宏同时制约同一时间步内的两柱体的运动。通过求解雷诺数范围为6300~18000时流体与柱体的耦合响应，浅析不同排列形式下，柱间距比与流速对两柱体横向与顺流向振幅、受力系数以及质心运动轨迹的影响规律。结果表明：两种排列方式的干扰效应显著不同。5、立管结构准三维涡激振动数值模拟为更准确的模拟立管在诸多因素（如雷诺数，结构性质，流体作用等）的影响下的复杂耦联振论文导读：332.3.2有限体积法33-342.3.3常用离散格式34-352.3.4二维不足有限体积法离散35-362.4流场模型的数值求解36-422.4.1流场数值计算的主要策略36-372.4.2交错网格及其运用37-382.4.3SIMPLE算法38-422.4.3.1SIMPLE算法基本思想38-392.4.3.2速度与压力修正方程39-402.4.3.3SIMPLE算法的进上一页12345下一页
动，同时为避开三维流场模拟计算量大、结果不易收敛等缺点，本论文以静力等效为基础，将三维结构与二维流体相结合，建立准三维涡激振动流固耦合数值模型。将两端固定连接的立管简化为多质点模型，各质点在二维平面上均被视为弹簧—阻尼模型，弹簧刚度基于静力等效计算得到。分别对各质点进行二维流固耦合模拟，最终得到立管结构整体的涡激振动响应。最后，进行立管涡激振动无比尺实验，以验证建立的准三维数值模型。通过比较立管涡激振动物理模型实验与数值浅析结果发现，两者得到的结构振动响应的变化规律基本一致。关键词：流固耦合论文涡激振动论文干涉效应论文准三维数值模拟论文抑振装置论文计算流体力学论文
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Abstract8-14
1 绪论14-24

1.1 选题背景、目的及探讨作用14-15

1.2 关于涡激振动15-18

1.2.1 卡门涡街15-18

1.2.2 弹性体与流体的耦合作用18

1.3 国内外探讨近况18-22

1.3.1 涡激振动实验探讨18-20

1.3.2 涡激振动数值探讨20-22

1.3.2.1 半经验法20-21

1.3.2.2 尾流振子模型21

1.3.2.3 计算流体动力学策略21-22

1.4 本论文主要探讨内容和革新点22-24

1.4.1 本论文主要探讨内容22-23

1.4.2 革新点23-24

2 计算流体力学数值模拟探讨24-42

2.1 概述24-25

2.2 湍流的数值模拟25-31

2.1 流体运动制约方程25-26

2.2 湍流模型的选择26-29

2.3 湍流流场边界计算29-31

2.3 基于有限体积法的制约方程离散31-36

2.3.1 流体数值网格31-33

2.3.2 有限体积法33-34

2.3.3 常用离散格式34-35

2.3.4 二维不足有限体积法离散35-36

2.4 流场模型的数值求解36-42

2.4.1 流场数值计算的主要策略36-37

2.4.2 交错网格及其运用37-38

2.4.3 SIMPLE 算法38-42

2.4.3.1 SIMPLE 算法基本思想38-39

2.4.3.2 速度与压力修正方程39-40

2.4.3.3 SIMPLE 算法的进论文导读：

展40-42
3 流体—结构耦合振动数值模拟42-57

3.1 概述42-43

3.2 结构动力模块数值模型的建立43-47

3.

2.1 结构运动制约方程43-47

3.3 涡致耦合振动数值模型的建立47-50

3.1 涡激振动响应参数47-49

3.3.

1.1 Strouhal 数和漩涡脱落频率47

3.3.

1.2 升力与曳力系数47-48

3.3.

1.3 其他参数系数48-49

3.3.2 涡激耦合振动数值模型49

3.3 数值模型无量纲化49-50

3.4 流体—结构耦合振动数值求解与编程50-57

3.4.1 流固耦合的实现50-51

3.4.2 用户自定义函数51-52

3.4.3 动网格模型的实现52-55

3.4.1 边界运动制约实现策略53

3.4.2 动网格制约策略53-55

3.4.4 流固耦合的数值求解流程55-57

4 单柱体涡激耦合振动数值模拟57-82

4.1 概述57-58

4.2 数值模型的建立与求解58-62

4.

2.1 数值模型建立58-60

4.2.

1.1 计算模型及流体网格设置59-60

4.2.

1.2 计算初始条件的确定60

4.2.2 柱体两自由度振动求解流程60-62

4.3 圆柱体两自由度涡激振动响应浅析62-69

4.

3.1 数值模型可靠性验证62-63

4.

3.2 柱体涡激振动响应浅析63-64

4.

3.3 柱体动力响应时程及运动轨迹浅析64-66

4.

3.4 流体—结构耦合作用场特点浅析66-69

4.

3.4.1 漩涡脱落方式66-68

4.

3.4.2 圆柱体涡激振动尾流流场浅析68-69

4.4 带抑振装置柱体涡致耦合振动浅析69-80

4.1 抑振策略的探讨69-72

4.2 数值模型及参数72-73

4.3 耦合振动作用下结构振动特点浅析73-78

4.4.

3.1 升力系数与曳力系数73-74

4.4.

3.2 横向与顺流向振幅浅析74-75

4.4.

3.3 典型流速下柱体响应特性75-76

4.4.

3.4 柱体质心运动轨迹76-78

4.4.4 抑振装置对尾流流场的影响78-80

4.5 小结80-82

5 群柱系统干涉效应数值模拟82-120

5.1 概述82-84

5.2 数值模型的建立与求解84-87

5.

2.1 制约方程及参数的确定84-85

5.

2.2 群柱系统涡激振动求解流程85-87

5.3 串联排列柱体涡致耦合振动数值模拟87-102
5.3.1 计算域与论文导读：浅析132-133

6.3.2立管典型节点横向位移时程曲线比较浅析上一页12345下一页

初始条件87-88
5.

3.2 串联排列两圆柱体干涉效应影响浅析88-102

5.3.

2.1 群柱涡激振动响应浅析88-91

5.3.

2.2 柱体间距对流体作用力影响浅析91-93

5.3.

2.3 上下游柱体动力特性时程曲线浅析93-99

5.3.

2.4 两柱体质心运动轨迹99-102

5.4 并列柱体涡激振动干扰效应数值模拟102-118
5.

4.1 计算模型及初始条件102-103

5.

4.2 排列形式及间距对流体力影响浅析103-106

5.

4.3 并列两圆柱体涡激振动幅值浅析106-110

5.

4.4 上下侧柱体动力特性时程曲线浅析110-112

5.

4.5 并列两柱体中心间距对干扰效应影响112-115

5.

4.5.1 柱间距对两柱体振动的影响浅析112-114

5.

4.5.2 不同柱间距下，两柱体质心运动轨迹浅析114-115

5.

4.6 外流速对两柱体动力特性的影响115-118

5.

4.6.1 流速对两柱体振动幅值时程的影响浅析115-117

5.

4.6.2 并列两柱体柱体质心运动轨迹浅析117-118

5.5 小结118-120
6 三维立管结构涡激振动探讨120-135

6.1 立管涡激振动物理模型实验探讨120-125

6.

1.1 实验目的与内容120

6.

1.2 实验模型设计120-122

6.

1.2.1 实验设计120-121

6.

1.2.2 试验支架设计121

6.

1.2.3 立管模型设计121-122

6.

1.3 实验设备122-124

6.

1.3.1 实验水槽122

6.

1.3.2 结构数据采集系统122-123

6.

1.3.3 流体数据采集系统123-124

6.

1.4 实验结果处理及浅析124-125

6.

1.4.1 结构位移重建124

6.

1.4.2 实验结果浅析124-125

6.2 准三维立管数值模拟125-132
6.

2.1 概述125-126

6.

2.2 准三维数值模拟求解思路126

6.

2.3 三维结构模型简化参数126-130

6.

2.3.1 Euler-Bernoulp 梁单元126-130

6.

2.3.2 立管模型静力浅析130

6.

2.4 准三维模型的建立130-131

6.

2.5 CFD 数值模拟结果浅析131-132

6.3 立管结构 CFD 数值模拟结果与实验比较浅析132-134
6.

3.1 立管各质点涡激振动振幅比较浅析132-133

6.3.2 立管典型节点横向位移时程曲线比较浅析论文导读：133-1346.4小结134-1357探讨结论与展望135-1377.1本论文结论135-1367.2探讨展望及倡议136-137参考文献137-143个人简历143发表的学术论文143-144致谢144上一页12345
133-134

6.4 小结134-135

7 探讨结论与展望135-137

7.1 本论文结论135-136

7.2 探讨展望及倡议136-137

参考文献137-143
个人简历143
发表的学术论文143-144
致谢144