平行双涡脱落形态下并列倒角柱体水动力特性分析_于定勇.pdf

第4 5卷 第3期2 0 2 3年 6月海 洋 湖 沼 通 报T r a n s a c t i o n s o f O c e a n o l o g y a n d L i m n o l o g yV o l.4 5 3J u n.,2 0 2 3平行双涡脱落形态下并列倒角柱体水动力特性分析于定勇,赵 一,康 骁(中国海洋大学工程学院,山东 青岛 2 6 6 1 0 0)摘 要:为研究尾流为平行双涡脱落形态下并列不同倒角柱体的绕流水动力特性,本文使用F l u e n t软件,采用大涡模拟方法模拟了雷诺数R e=3 9 0 0、3种间距比、5种不同倒角情况下并列柱体的三维流场。验证了模型的有效性,分析了平行双涡脱落形态下柱体后方瞬时流场、时均流场、水动力参数的变化情况。分析结果表明:随着倒角半径R+的增大,并列柱体剪切层稳定性逐渐增强;R+=0.1时柱体后流体在X方向和Y方向速度波动范围和波动强度最大;R+=0.4时柱体所受平均阻力系数、升力系数均方根最小。本文研究结果可为相关工程设计中根据不同影响因素选取合适的倒角半径提供参考。关键词:倒角半径;绕流;并列布置;水动力参数;平行双涡脱落中图分类号:T V 1 4 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 3-6 4 8 2(2 0 2 3)0 3-0 0 7-1 0D O I:1 0.1 3 9 8 4/j.c n k i.c n 3 7-1 1 4 1.2 0 2 3.0 3.0 0 2引 言绕流是指流体绕过置于流体中的物体或是物体在流体中移动的过程,是生活中一种常见的物理现象。多柱体绕流作为钝体绕流普遍存在于工程领域中,如海洋工程中的输油管道、高桩码头、海洋平台中的立柱、海底管线都存在绕流现象。并列式柱体结构在海洋工程中已经有了广泛的应用。Z d r a v k o v i c h 1通过对并列双圆柱尾流形态的研究,发现间距比L/D对尾流形态有很大的影响:当L/D1.11.2时,尾流为单一涡脱落形态(s i n g l e b l u f f b o d y);当1.222.2时,尾流为平行双涡脱落形态(s y mm e t r i c f l o w)。S u m n e r 2对不同尾流形态下的并列双圆柱进行数值模拟,发现当尾流形态为平行双涡脱落时并列圆柱后方出现两列宽度相近的平行涡街,但此时两柱间仍存在相互作用。B e a r m a n等 3在雷诺数R e=2.51 04下对并列圆柱进行风洞试验时发现,当柱体间隙为0.1到1个直径之间时(1.1L/D2),间隙流在柱体间会出现交替偏斜的现象。K i m等 4对并列圆柱进行研究时也发现,当L/D2时,在不同的时刻会观测到尾流偏向不同的圆柱。不同倒角柱体绕流的湍流场结构复杂,T a m u r a等 5通过风洞实验对不同倒角柱体的附近流场进行了研究,发现相比于方柱,倒角柱体的尾流宽度显著减小。H u等6通过P I V、L D V技术对R e=2 6 0 0、6 0 0 0下不同倒角柱体尾流场进行研究,发现当R+从0.1增加到0.5时,柱体后尾流宽度减少约2 5%。Z h a n g等7利用直接数值模拟对不同倒角柱体在R e=1 0 0 0下的绕流特性进行研究,发现相较于方柱,倒角柱体平均阻力波动明显减小,尾流宽度也大幅减小。K u m a r等8运用P I V技术对不同倒角柱体的流场特性进行研究,发现倒角半径不同时,柱体的尾流形态会发生显著变化,R+越大,柱体近尾流处的涡脱落越均匀。C a o等9发现,在超高雷诺数条件下,更高的雷诺数下倒角柱体会有更长的剪切层。谷家扬等1 0对不同倒角柱体的涡激振动影响进行了数值模拟,研究表明柱体顺流向的振幅受倒角半径变化影响较大,顺流向振幅随着R+的增大逐渐增大。总结上述研究现状,倒角半径不同时柱体的绕流水动力特性有明显差异,与圆柱(R+=0.5)和方柱 基金项目:国家自然科学基金项目(5 1 7 3 9 0 1 0)第一作者简介:于定勇(1 9 6 4),男,山东省青岛人,教授,博士,主要从事海洋动力与结构物和岸滩作用的研究。E-m a i l:d y y u 0 11 2 6.c o m 收稿日期:2 0 2 0-0 8-3 18 海 洋 湖 沼 通 报2 0 2 3 年(R+=0)相比受力亦有明显差异。而并列布置下不同倒角柱体由于两柱间相互影响,流场特性更为复杂,且前人没有详细研究平行双涡脱落形态下倒角柱体的绕流,为此本文使用F l u e n t软件,采用大涡模拟方法研究了在平行双涡脱落形态下,R e=3 9 0 0、3种不同间距比、5种不同倒角柱体后方瞬时流场、受力特性、时均流场的变化规律。1 计算模型及参数设置1.1 控制方程假设流体为黏性不可压缩流,即流体密度不变;又假设温度变化不大,因此能量方程可以忽略,故 N-S 方程只考虑连续方程和动量方程,引入滤波函数到N-S方程后可得:uit+uiujxj=-1p-xi+v2uixjxj+i jxj(1)其中,i j为亚格子尺度雷诺应力,表示为i j=-uiuj-uiuj(),令uiuj=uiuj+uiuj-uiuj(),并建立亚格子尺度模型(S G S模型)使方程(1)封闭,这里选用S m a g o r i n s k y-L i l l y模型i j-13k ki j=-2tSi j(2)式中,t是亚格子尺度的湍动粘度,S m a g o r i n s k y1 1给出t=Cs()2S-;Si j为应变速率张量,表示为 Si j=12uixj+ujxi()。S-=2Si jSi j;为滤波尺寸表示为=V1/3,V为计算单元体积;取Cs=0.1。关于大涡模拟的数值方法可参考文献1 2 和文献1 3。1.2 模型参数本文计算模型和网格划分如图1所示,柱1为图中下方柱体,柱2为上方柱体;柱体直径D=0.0 1 m,顺水流方向(X方向)长度为3 0 D,垂直水流方向(Y方向)长度为2 0D,计算域展向高(Z方向)为D,不同倒角半径柱体以R+=R/D来表示,其中R为倒圆角半径,D为柱体边长,本文每种间距比排列方式下均设置5种工况,分别对应倒角半径R+=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5这5种截面形式,来流角度均为=0。计算域进口设置为速度入口,速度U0=0.3 9 1 m/s,水的运动粘度v=1.0 0 31 0-6 m2/s,得到雷诺数R e=U0D/v=3 9 0 0。在每个柱体1.5D范围内使用O t y p e网格进行加密,考虑计算效率将展向节点数设为3 5个,首层厚度为0.0 0 3 D,得到底层网格Y+约为0.8 8,满足Y+1的要求。图2表示双柱体并列布置下监测线分布情况,在展向Z=D/2处设置截面,以两柱体的中心处为X轴的起始位置,设置8条Y方向监测线,分别为X/D=0.5 8、1.0 6、1.5 4、2.0 2、3、5、7、1 0,得到不同X/D处的流向及横向速度分布。图1 计算区域图及边界层网格F i g.1 M a p o f c a l c u l a t i o n a r e a a n d m e s h o f b o u n d a r y l a y e r1.3 边界条件及初始条件(1)进口条件:均匀来流速度(i n l e t)(U=U0,V=0,W=0);(2)出口条件:自由出流(o u t f l o w);(3)柱体表面:无滑移固壁面边界(w a l l)(U=0,V=0,W=0);(4)上下左右边界:对称边界(s y mm e t r y)。3期平行双涡脱落形态下并列倒角柱体水动力特性分析9 2 模型验证首先进行网格无关性分析,选取三套网格(见表1),将计算后的参数进行对比,来说明网格设置的合理性。图2 并列双柱体布置下柱体监测线布置F i g.2 M o n i t o r i n g l i n e l a y o u t u n d e r p a r a l l e l i z e d-a r r a n g e d c y l i n d e r s表1 三套网格详情T a b l e 1 T h r e e s e t s o f g r i d d e t a i l s网格A 1A 2A 3网格单元数1 4 3 4 5 2 81 8 4 2 6 9 82 3 1 9 4 0 8周向节点数1 8 02 4 02 4 0展向节点数3 53 54 0矩形长宽节点数1 8 01 1 02 0 51 1 02 4 01 2 0首层厚度0.0 0 3D0.0 0 3D0.0 0 3D为验证本文所选取计算模型的可信性,首先进行单柱体模型验证,计算区域图如图3所示,验证工况为R e=3 9 0 0下单圆柱绕流。由表2可以看到A 2、A 3网格计算出的结果与前人的成果都很接近,表明本文使用的网格设置方法可信,考虑计算效率,本文所有网格设置与A 2网格相同。表2 数值计算结果验证T a b l e 2 V e r i f i c a t i o n o f N u m e r i c a l C a l c u l a t i o n R e s u l t s工况方法Cd-a v eS t回流长度(L r)-um i n/UoA 1L E S-S MA G1.0 60.2 2 11.5 20.2 4 4A 2L E S-S MA G0.9 90.2 1 31.4 50.2 5 8A 3L E S-S MA G1.0 20.2 1 71.4 10.2 6 6W o r n o m等1 5 L E S-VM S0.9 90.2 11.4 5-K r a v c h e n k o等1 6 L E S1.0 40.2 11.3 50.3 5L y s e n k o等1 7L E S-T K E0.9 70.2 0 91.6 70.2 7继续对并列布置下的柱体绕流进行模型验证,验证算例为间距比L=3D的并列圆柱,对比S u m n e r等1 8的P I V物模实验,雷诺数R e=2 2 0 0,图4表示两者的升力系数频谱图,可以看到本文和前人的S t数分别为0.2 1 9和0.2 1,总体来看吻合度较高,满足数模的计算要求。图3 计算区域图F i g.3 M a p o f c a l c u l a t i o n a r e a图4 并列布置下柱体S t对比图(R e=2 2 0 0)F i g.4 S t c o m p a r i s o n o f p a r a l l e l i z e d-a r r a n g e d c y l i n d e r s(R e=2 2 0 0)1 0 海 洋 湖 沼 通 报2 0 2 3 年3 模拟结果及分析经过模型验证,验证了本文所选取的湍流模型及流场合理可靠之后,本文进一步模拟了在R e=3 9 0 0 时并列布置情况下,L/D=2.5、L/D=2.8和L/D=3.0时5种不同倒角柱体的绕流过程,并分析了其时均和瞬时流场特性、漩涡脱落形态和受力特性的变化规律。3.1 柱体瞬时流场特性分析图57为三种间距比下,5种不同倒角柱体展向截面(Z/D=0.5)等值线涡量图。从图5可以看到,当间距比L/D=2.5时,R+=0.1、0.2、0.3并列倒角柱体两柱之间没有明显的间隙流偏斜现象,但上下两柱后方的尾流宽度并不完全相等,此时其尾流的形态定义为偏斜流形态和平行双涡脱落形态的过渡形态1 9。R+=0.4、0.5并列倒角柱体尾流为两列宽度相等的平行涡街,且涡脱落频率相同,两列漩涡脱落呈有规律的同向和反向状态,此时其尾流形态属于平行双涡脱落形态。可以发现并列倒角柱体间距比相同时,倒角半径不同其尾流形态也会不同。此时柱体最大瞬时涡量具有规律性,随着倒角半径R+的增大,最大瞬时涡量由R+=0.1时的4 9 2 0 s-1递减为R+=0.5时的3 8 9 0 s-1。图5 L/D=2.5时柱体展向截面等值线瞬时涡量图(s-