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《圓柱渦激振動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文圓柱渦激振動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究StudyonVortexInducedVibrationCharacteristicsofCircularCylindersusingNumericalModel學(xué)科專業(yè)：流體力學(xué)研究生：曾攀指導(dǎo)教師：袁德奎研究員天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一七年十一月*A~~ffi~~~~fil~X~*A~~~ffi~~*ff~~~I~~*m~~~~-'~7X*~~~~~~~-W~~*'~)t*~~*~~AB~~~liJU~~M~~"1.~*,fil~~*7'1~1~*i￡:k.fd~1-tl!~fflJ1.
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3、摘要由繞流引起的柱體渦激振動(dòng)是海洋工程領(lǐng)域中頻發(fā)的一種流固耦合現(xiàn)象。典型的工程實(shí)例如深海采油立管，其作業(yè)水深往往能達(dá)到幾百甚至上千米。在一定外部激勵(lì)下，立管系統(tǒng)可能發(fā)生流致渦激振動(dòng)，從而引起管道的疲勞損壞。隨著油氣資源的開采逐漸走向深海，對立管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求也日趨嚴(yán)格。因此，本文以海洋工程中圓柱形立管為背景，對圓柱發(fā)生渦激振動(dòng)的物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探究渦激振動(dòng)的特性和機(jī)理，為進(jìn)一步研究抑振措施等奠定基礎(chǔ)。綜合考慮計(jì)算量以及工程需求，本文選取有限體積法與RANS相結(jié)合的方法對渦激振動(dòng)問題進(jìn)行數(shù)值模擬。引入湍流模型封閉控制方程，
4、使用四階龍格庫塔方法離散振動(dòng)方程，用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)處理邊界運(yùn)動(dòng)。首先，本文對上述數(shù)值模擬方法以及流固耦合方法的有效性和適用性均進(jìn)行了驗(yàn)證。考慮到固定圓柱繞流問題在Re=3900下有大量的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值結(jié)果，故先對該雷諾數(shù)下的繞流流場進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與參考數(shù)據(jù)吻合良好；在此基礎(chǔ)上對低雷諾數(shù)下的渦激振動(dòng)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，同樣得到了較為滿意的結(jié)果。本文隨后使用了驗(yàn)證后的模型對圓柱單自由度和兩自由度渦激振動(dòng)分別進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，約化速度范圍為2到14。主要結(jié)論為：對于渦激振動(dòng)問題，相比RNGk-ε、Realizablek-ε和Standardk-
5、ω三個(gè)模型，SSTk-ω湍流模型的綜合模擬結(jié)果較為理想，其對尾渦形態(tài)的捕捉優(yōu)勢明顯。渦激振動(dòng)特性的影響因素中，質(zhì)量比m*決定了圓柱的鎖定區(qū)間長度，相同條件下，m*越小則鎖定區(qū)間越大。而質(zhì)量阻尼比m*ζ決定了渦激振動(dòng)鎖定時(shí)的共振振幅大小，同等條件下，m*ζ越小則振幅越大。在一定條件下，兩自由度振動(dòng)圓柱的水動(dòng)力系數(shù)與單自由度存在較大差異，兩自由度振動(dòng)中順流向運(yùn)動(dòng)不可忽略，其可能引起新的“2T”脫渦模式從而使得響應(yīng)進(jìn)入超上端分支。在研究流速范圍內(nèi)，順流向振動(dòng)響應(yīng)頻率多為橫向的2倍，實(shí)際工程中也可能是使得立管疲勞損壞的原因之一；隨著質(zhì)量比由小到大變化
6、，順流向運(yùn)動(dòng)對橫向運(yùn)動(dòng)的影響逐漸減小。兩自由度振動(dòng)響應(yīng)及尾渦模式同單自由度振動(dòng)出現(xiàn)明顯差異的臨界質(zhì)量比約為m*=3.5。關(guān)鍵詞：渦激振動(dòng)，流固耦合，湍流模型，數(shù)值模擬，自由度IABSTRACTThevortexinducedvibration(VIV)ofcylinderscausedbyflowisafrequentFluid-SolidInteraction(FSI)phenomenoninthefieldofoceanengineering.Suchasdeep-seariser,whichoftenworksinhundredsofm
7、etersandeventhousandsofmetersunderwater.Undercertainexternalexcitation,VIVmayoccurinrisersystem,whichcancausefatiguedamagetothepipeline.Withtheexploitationofoilandgasresourcesmovingtowardsthedeepsea,thestructuralstrengthandstabilityrequirementsoftheopposingpipesystemarebeco
8、mingmoreandmorestrict.Inthisethesis,thecharacteristicsandmechanismofVIVofcircularc
