1.1 目的及意义

随着我国的经济实力快速提高，以及自然资源的需求增加，对于海洋资源的需求越来越多，国家提出了海洋强国的战略目标，成为在开发海洋、利用海洋、保护海洋、管控海洋方面拥有强大综合实力的国家。海洋平台作为重要的海洋装备，一直是各国研究的热点，人类在勘采石油资源的时候，开发了各式的新型海洋平台：浮式生产储油系统、浮式生产钻井储油装置、张力腿平台、半潜式平台以及立柱式平台。由于海洋环境的随机性和复杂性，产生了众多的复杂的工程问题，如何理解和解决相关问题是十分急需的[1]。其中圆柱绕流问题是流体与工程结构相互作用的非常常见的问题。由于流体的作用，流体和圆柱是相互耦合的作用。流体的流动使得圆柱发生变形和振动，因此研究圆柱在流场中振荡非常必要[2]。

1.2 含国内外的研究现状分析

圆柱是实际生活中十分常见的物体，钝体绕流常把圆柱绕流当作重要的研究对象，其流动的现象也是十分的复杂，它包含了流体的分离、漩涡的形成和脱落等等复杂的非线性问题。粘性不可压缩流体绕圆柱的流动会产生各种不同的流动状态，随着雷诺数的增加，会产生越来越复杂的流动图案表明了系统有越来越复杂的组织结构[3]。

相比于方柱等具有明显棱角的钝体形状，圆柱绕流的分离点是不固定的，这给圆柱绕流的研究带来了更大的困难[4]。有众多的学者在相关领域进行研究。刘松，符松用有限体积法对平行于均匀来流方向受迫振荡的圆柱绕流问题进行了二维数值模拟，验证了试验中的同步脱落现象，计算结果为研究实际流动中圆柱振荡与涡脱落的相互耦合作用打下了基础[2]。李明用OpenFOAM软件对零均值和单向正弦振荡流作用下的圆柱绕流进行了数值模拟，探究了来流中振荡流成分所占比重对圆柱的动力响应的影响[4]。龚帅，郭照立利用了Boltzman方法对不可压横向振荡圆柱绕流问题进行了数值研究，提高了计算的效率并分析了实验现象[5]。梁亮文利用fluent软件在低雷诺数下对横向受迫振荡圆柱和弹性支撑圆柱涡激运动问题进行数值计算分析。得出三维圆柱以一定频率振荡时会抑制流场中漩涡三维特性的出现[6]。顾罡用CFD方法求解了二维非定常单圆柱和双圆柱流问题，分析漩涡的运动和脱落，与吴国雄教授给出的结果作对比，给出了可靠的分析结果，验证了数值解的正确性[7]。张宇飞，肖志祥，符松采用Arbitrary Lagrange-Euler方法求解运动坐标系Navier-Stokes方程组，分析均匀来流下雷诺数为150的静止和流向振荡的圆柱绕流[8]。王志东，周林慧采用SIMPLE算法求解N-S方程，采用动网格技术模拟网格的运动边界，对振荡圆柱进行模拟[9]。杨烁，吴宝山采用多种流动模型在高雷诺数下对定常和非定常状态的圆柱绕流进行了数值模拟，计算了圆柱的升阻力系数、分离点位置、Strouhal数等结果[10]。 Obasaju, E. D, Bearman等人做了关于圆柱绕流的试验测定[11]。 Guilmineau E, Queutey P等在低雷诺数下对振荡圆柱绕流进行了数值模拟，给出了振荡圆柱涡脱落图，涡线和等压力线图[12]。 J. Decuyper, T. De Troyer, M.C. Runacres, K. Tiels, J. Schoulcens等人运用非线性系统辨识技术，建立了非线性空间模型来分析振荡圆柱，并与CFD软件计算结果进行对比[13]。 Zhida Yuan, Zhenhua Huang等人通过试验测的高频流对振荡圆柱的力，并通过与Morison公式对比，得到新的无量纲系数[14]。得出对于大多数KC数和振荡频率，圆柱振荡频率为其受到主要力频率的两倍[15]。

2. 研究的基本内容与方案

运用Fluent软件对流场中的振荡圆柱进行仿真，应用建模软件建立数值计算模型；开展振荡圆柱的振幅和振荡频率对圆柱振荡特性的影响研究，绘制出不同振荡幅值、不同振荡频率条件下圆柱的阻力特性图，计算结果与Morison公式比较异同，探讨Morison公式适用范围。其基本流程如下：

1采用ICEM软件建立适当的计算模型并划分质量较好的网格。

2用商业计算流体力学软件Fluent导入计算模型，设置好初始化参数，定义合理的边界条件，并用UDF编写圆柱边界条件。

3对计算结果进行后处理和分析，绘制出不同振荡幅值、不同振荡频率条件下下圆柱的阻力特性图，与Morison公式进行比较。