附加整流罩立管繞流的數(shù)值模擬

畢貞曉　唐建國(guó)　郭雯雯　李軍

摘要：在經(jīng)典亞臨界雷諾數(shù)Re=3900下，通過(guò)大渦模擬（LES）方法對(duì)附加整流罩（75°）單圓柱的繞流現(xiàn)象進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究附加整流罩對(duì)主管線受力的影響。結(jié)果表明附加整流罩能夠很好地抑制圓柱渦的脫落，研究結(jié)果為控制裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論支撐。

Abstract： Under the classic subcritical Reynolds number Re=3900， the large eddy simulation （LES） method is used to perform a three-dimensional numerical simulation of the flow around a single cylinder of an additional fairing （75°） to study the effect of the additional fairing on the main line force. The results show that the additional fairing can well suppress the shedding of the cylindrical vortex. The research results provide theoretical support for the optimization of the control device structure.

關(guān)鍵詞：大渦模擬（LES）;升阻力系數(shù);渦脫落頻率

Key words： large eddy simulation（LES）;lift resistance coefficient;vortex shedding frequency

中圖分類號(hào)：TE952? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）05-0238-02

0? 引言

在理論上，海洋工程中的立管結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為多圓柱排列的圓柱繞流模型。海洋立管尾跡周期性的渦脫落，會(huì)使海洋立管受到力的作用而導(dǎo)致?lián)p壞，甚至出現(xiàn)石油或燃?xì)庑孤┈F(xiàn)象，不管在經(jīng)濟(jì)方面還是環(huán)境方面，均產(chǎn)生損失甚至污染環(huán)境。通過(guò)控制裝置來(lái)減少渦脫落現(xiàn)象對(duì)立管的受力就很重要，且很有意義。立管圓柱繞流流動(dòng)控制方面主要從理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究三個(gè)方面來(lái)研究。就目前而言，對(duì)圓柱繞流實(shí)驗(yàn)研究的方法，特別是對(duì)多圓柱繞流實(shí)驗(yàn)研究，比較困難，同時(shí)也產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)成本。而很多研究者會(huì)使用數(shù)值模擬的方法對(duì)圓柱繞流進(jìn)行研究，使用數(shù)值模擬方法較多的是基于雷諾平均（RANS）方法和大渦模擬（LES）方法[1]。謝瀟瀟等[2]采用直接數(shù)值模擬方法對(duì)雷諾數(shù)為100時(shí)頂角為15°～165°的三棱柱的二維繞流問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)頂角度數(shù)影響三棱柱體受到的時(shí)均阻力系數(shù)和升力系數(shù)。王偉[3]采用非定常數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)構(gòu)造脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)對(duì)圓柱繞流的控制作用。Grant和Patterson[4]以及Kumar[5]等利用固定整流罩抑制立管的渦脫落，達(dá)到了立管阻力和升力的振幅大幅度減小的效果?？紤]到來(lái)流方向?qū)潭ㄕ髡值挠绊?，谷斐[6]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出安裝旋轉(zhuǎn)整流罩可適應(yīng)來(lái)流方向，同時(shí)也能夠抑制渦的脫落。譚波[7]對(duì)安裝固定整流罩不同的頂角角度的隔水管進(jìn)行數(shù)值研究，得出固定整流罩角度？茲設(shè)置為60°時(shí)，整流罩能很好地控制隔水管的渦激振動(dòng)。畢貞曉[6]數(shù)值模擬了不等直徑并列圓柱的間距比（T/D=1.2、1.5、1.8和2.7）對(duì)主圓柱的渦脫落影響，發(fā)現(xiàn)T/D=1.2時(shí)，附屬小圓柱能夠強(qiáng)烈抑制主圓柱渦的脫落，主圓柱升阻力系數(shù)最小。

本文采用Smagorinsky動(dòng)力亞格子模式的大渦模擬方法，基于FLUENT平臺(tái)，附加整流罩的單圓柱繞流數(shù)值模擬研究的來(lái)流條件設(shè)置為亞臨界雷諾數(shù)Re=3900、湍流強(qiáng)度I=5%，并將該數(shù)值結(jié)果與同等條件下的單圓柱繞流的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)整流罩能夠有效地控制海洋立管的渦脫落，達(dá)到減小圓柱體的受力的效果。

1? 附加整流罩單圓柱物理模型

畢貞曉[8]已對(duì)本次數(shù)值模擬研究采用的數(shù)值模型及方法通過(guò)把時(shí)均流速和圓柱表面壓力系數(shù)兩個(gè)參數(shù)與前人實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果進(jìn)行了比較和驗(yàn)證，對(duì)比發(fā)現(xiàn)時(shí)均流速和圓柱表面壓力系數(shù)兩個(gè)參數(shù)的數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，這對(duì)本文中所采用的數(shù)值模型及方法的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，本文數(shù)值模擬研究中，所安裝的附加整流罩的角度設(shè)置為75°，附加整流罩單圓柱繞流數(shù)值模型的計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格劃分、來(lái)流初邊值條件以及數(shù)值格式等均與單圓柱繞流模型數(shù)值研究參數(shù)設(shè)置一致。圖1和圖2分別給出了附加整流罩單圓柱繞流網(wǎng)格整體圖和附加整流罩單圓柱周圍網(wǎng)格的局部放大圖。

2? 附加整流罩單圓柱繞流的受力分析

圖3和圖4分別給出了單圓柱和附加整流罩單圓柱阻力系數(shù)分布和升力系數(shù)比較分布圖，單圓柱的時(shí)均阻力系數(shù)Cd=1.25，附加整流罩的單圓柱時(shí)均阻力系數(shù)Cd=0.99。根據(jù)前期數(shù)值模擬結(jié)果，未附加整流罩的單圓柱的升力系數(shù)的波動(dòng)范圍為±1.1716，而附加整流罩單圓柱的升力系數(shù)的波動(dòng)范圍是±0.5321，對(duì)比時(shí)均阻力系數(shù)和升力系數(shù)兩個(gè)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)附加整流罩單圓柱阻力系數(shù)減小了20.8%，并且升力系數(shù)的波動(dòng)范圍減小了54.5%。這是因?yàn)楫?dāng)流體經(jīng)過(guò)附加整流罩單圓柱時(shí)，流體在圓柱的垂向作用有效減弱，并且不穩(wěn)定。整流罩推移了圓柱尾跡的渦脫落產(chǎn)生位置，使得渦脫落的周期延長(zhǎng)，整理罩能夠改善圓柱的受力特性，進(jìn)而延長(zhǎng)海洋立管的壽命。

3? 附加整流罩單圓柱繞流升力功率譜分析

分別對(duì)單圓柱的升力系數(shù)、附加整流罩單圓柱的升力系數(shù)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得出單圓柱的渦脫落頻率為7.28Hz，附加整流罩單圓柱的渦脫落頻率為7.14Hz。通過(guò)對(duì)比得出，單圓柱安裝整流罩與否對(duì)單圓柱的渦脫落頻率影響不是很大，但是安裝整流罩對(duì)減小渦脫落頻率的幅值有明顯的效果，使得圓柱尾跡渦脫落的運(yùn)動(dòng)周期性變得很弱且渦脫落頻率的峰值變得很低。這均表明安裝整流罩能夠達(dá)到明顯抑制圓柱渦的脫落和減小圓柱渦脫落的周期的效果。

4? 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)同等條件下的單圓柱繞流和安裝頂角為75°的整流罩單圓柱繞流的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)安裝整流罩后單圓柱的渦脫落得到抑制，圓柱的受力情況得到較大改善。數(shù)值結(jié)果表明，附加整流罩單圓柱的時(shí)均阻力系數(shù)減小了20.8%，升力系數(shù)的波動(dòng)幅值減小了54.5%。由此得出附加整流罩能夠很好地抑制圓柱渦的脫落。本文只考慮了整流罩頂角為75°的情況，后期可研究安裝不同角度的整流罩對(duì)單圓柱繞流、不等直徑串列或并列多圓柱繞流的影響以及其它形狀（三棱柱等）的影響。研究結(jié)果可為渦脫落控制裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論支撐，為延長(zhǎng)海洋立管的壽命和海洋環(huán)境的保護(hù)提供一定的理論價(jià)值。

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