二维圆柱绕流及涡激振动数值模拟研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1 目的及意义

1.1 研究背景

随着社会的进步,经济的发展,人类对化石能源的需求日益增加。由于多年的过度开采致使陆地上的化石能源资源的匮乏,为解决能源危机,人们便将目光投向了资源更加丰富的海洋中。据统计,海洋中蕴含了大量的能源,世界近海海底已探明的石油可采储量为220亿吨,占世界石油探明总可采储量的24%;近海海底已探明的天然气储量为17万亿立方米,占世界天然气探明总可采储量的23%,这些促使着各国不断加大对海洋油气资源的争夺。石油等资源严重制约着我国经济社会的发展,因此中国政府高度重视海洋石油资源的开发并将其作为了战略能源,不断加大了对海洋资源的开发与投入。

立管是海洋开发过程中不可缺少的部分,起着开采、勘探、传输等重要的功能。随着我国对海洋油气资源开发的不断深入,对立管性能需求也逐步提高。尤其在深水环境中海流复杂,立管将会受到高温、高压的影响,变得尤为脆弱。诸多因素中,涡激振动是导致立管疲劳破坏最为常见的原因之一。随着开发深度的增加,海洋环境更加复杂,将会导致不同间段的立管产生不同的振动形态,涡激振动特性将更为复杂,严重影响立管的使用寿命。

在海洋工程中,涡激振动对结构的破坏非常严重,尤其是发生共振现象时。而现有的很多理论与研究对涡激振动的认知尚不完全清晰,还有紊流、流动分离、分离点漂移等问题尚待解决,因此涡激振动一直是研究的热点问题。研究涡激振动,分析不同因素对涡激振动的影响,掌握涡激振动的特性,并在工程应用中减小涡激振动对结构的损伤,有着重要意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1 圆柱绕流研究现状

圆柱绕流是流体力学中经典研究课题。由于圆柱是非流型物体,圆柱扰流特性受到尾流形态、雷诺数、圆柱尺寸、表面粗糙度、湍流强度等因素的影响。随着研究的不断深入,人们在圆柱受力特性、尾流形态、多柱相互作用等方面取得了一定的的成果。

1752年D' Alembert开展了钝体绕流问题研究,通过势流理论推导出:圆柱体在大范围的静止或匀速不可压缩无粘性流体中做匀速运动时,它所收到的外力为零。1878年Strouhal发现弦线的振动频率只和弦线的直径和速度有关,为一常数(斯托罗哈数)。1907年Mallock观察到钝物体后面交错排列的旋涡,并对此进行了研究。1912年Von Karman通过系统实验研究,发现了涡旋脱落后将在圆柱下游形成涡街,并研究了不同雷诺数条件下涡街的稳定性;将圆柱绕流研究提高至新的高度。

大多数流动具有三维特征,主要是由于流动和边界接触所引起的。三维流动相当复杂,大多数三维流动研究要部分或全部依靠试验[1]

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