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基于涡激振动实验的渔场浮体水动力数值模拟

作　者: 胡克
导　师: 林哲
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 浅式网箱涡激振动亚临界雷诺数受迫振荡 FLUENT
分类号: U661.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着社会不断发展,人类在科技和经济上都取得了巨大的进步,对于能源的需求不断增加使得浅海区域的油气开发已经不能满足人类的需要,海洋工程领域正在向深水推进,而其中以立管为代表的圆柱状海洋结构物广泛应用于海洋平台式离岸工程和海底管道系统。人们所要解决的深水钻探的最主要的问题之一就是解决管状物的涡激振动(VIV, Vortex-induced Vibrations)。当前,对于海洋平台中立管的涡激振动预报主要是通过实验来取得其水动力系数的,对于数值模拟的结果使用的较少。本文采用目前应用较为广泛的商业计算流体力学软件FLUENT数值模拟了刚性圆柱体的涡激振动实验,实验的雷诺数为10000,属亚临界雷诺数,实验内容包括静止时所受到的涡激振动以及振荡情况下的出现锁定现象时刚性圆柱水动力,将计算结果与实验值进行对比分析,发现升力系数和阻力系数的相对误差在20%以内,分析了可能存在的误差原因。在海洋资源开发的另一方面——深海养殖的开发也是越来越受到我国乃至世界各国的重视,人们都在寻求更好的养殖环境以及更高质量的养殖产品,因此将网箱推向了更远的深海,即深水网箱养殖应运而生。深海网箱体积庞大,而且往往要受到比近海更为恶劣的海况环境的考验,所以其水动力性能一直是各国海洋工程领域的热点话题。不过网箱整体的结构虽然庞大,但其组成的部件,如浮架、网衣相对于大型海洋结构物以及船舶而言仍属于小尺度漂浮柔性结构物,这类结构物与波浪和水流的相互作用机理的研究有待发展。对于浮架的研究,本文将其简化为圆形横截面的二维模型,在有来流情况下求解静止以及垂向振动于水面的浮杆的水动力。对于具有自由液面的圆柱的粘性流场,自由液面采用VOF(Volume of Fluid)法进行处理。通过大量的试算,选取一个合适的湍流模式,并确定湍流参数。本文研究的主要目的有两个一是当前比较重视的海洋工程领域的立管涡激振动的实验研究进行数值模拟,首先因为实验对于涡激振动的水动力的预报比较准确而应用广泛,但是成本较高,而使用CFD软件成本较低但是预报精度不够,本文尝试对于其中的一个涡激振动实验进行模拟,较为直观的计算出相对误差,为以后的数值模拟奠定基础；二是对于深海渔场的水动力研究进行一个数值预报,因为实验的准备工作通常都较为复杂,而做出一个准确的预报对于实验的顺利进行和对于数值的采集都极为重要,所以本文尝试使用FLUENT软件对水面上的简化后的渔场网箱浮架进行水动力求解。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-22
  1.1 本文研究的背景及意义  9-10
  1.2 立管涡激振动的研究情况  10-17
    1.2.1 涡激振动预报模型  10-12
    1.2.2 涡激振动实验研究  12-17
  1.3 国内外已开发的各类网箱介绍  17-20
  1.4 国内外关于网箱的科研进展情况  20-21
  1.5 本文所做工作介绍  21-22
2 涡激振动(VIV)概述  22-33
  2.1 涡激振荡的简要介绍  22-28
    2.1.1 漩涡的基本概念  22-25
    2.1.2 漩涡的脱落频率  25-26
    2.1.3 涡激振荡产生的力  26-28
    2.1.4 锁定(Lock-in)  28
  2.2 涡激振动实验研究综述  28-32
    2.2.1 涡激振动实验概述  28
    2.2.2 刚性圆柱体的自激振动实验  28-31
    2.2.3 刚性圆柱体的强迫振动实验  31-32
  2.3 本章小结  32-33
3 FLUENT软件简介  33-43
  3.1 FLUENT概述  33-34
  3.2 FLUENT求解器简介  34-40
    3.2.1 流体流动的控制方程  35-38
    3.2.2 有限容积法的基本思想  38-39
    3.2.3 FVM的求解方法  39-40
  3.3 GAMBIT简介  40-42
    3.3.1 GAMBIT的特点  40-41
    3.3.2 使用GAMBIT建立模型基本步骤  41-42
  3.4 本章小结  42-43
4 涡激振动的数值模拟  43-63
  4.1 静止情况模拟  43-53
    4.1.1 静止情况下模型的建立  43-51
    4.1.2 静止情况下结果分析  51-53
  4.2 强迫振荡情况下模拟  53-62
    4.2.1 强迫振荡情况下模型的建立  53-54
    4.2.2 强迫振荡情况数据处理及分析  54-62
  4.3 本章小结  62-63
5 网箱浮架的数值预报  63-77
  5.1 两相流模型的建立  63-67
    5.1.1 两相流模型示意图  63-64
    5.1.2 两项流模型的网格划分  64-65
    5.1.3 两相流模型的初始化条件和边界条件设置  65-67
  5.2 静止圆柱的计算结果  67-69
  5.3 水面振荡圆柱计算结果及分析  69-76
  5.4 本章小结  76-77
6 工作总结与展望  77-79
  6.1 论文总结  77-78
  6.2 工作展望  78-79
参考文献  79-82
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  82-83
致谢  83-85

基于涡激振动实验的渔场浮体水动力数值模拟

内容摘要

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