摘 要

圆柱形结构被广泛应用于海洋工程结构物，由于绕流引发的涡激振动极易造成海洋工程结构物的疲劳破坏。因此，对圆柱绕流和涡激振动的研究有着十分重要的科学价值和工程意义。本文利用ANSYS/FLUENT软件，采用数值模拟方法对圆柱的绕流和涡激振动进行了研究分析，重点分析了质量比对涡激振动特性的影响。本文主要内容和成果如下：

对雷诺数Re=200的二维圆柱绕流进行了数值模拟分析，得到升力幅值为0.742，阻力均值为1.447，斯特劳哈尔数为0.1992。通过不同时刻的涡量图揭示了涡街形成的过程，同时通过速度云图观察到了涡街随时间变化所呈现出的周期性特性。然后对雷诺数在1~范围内的圆柱绕流进行了数值模拟研究，升力系数在雷诺数Re=2000时最大，其值为1.3849；阻力系数在100lt;Relt;1×10⁵时几乎保持不变，其值大约在1.1左右；斯特劳哈尔数随雷诺数的变化较小，其值约为0.2。

对弹性支撑的圆柱在典型质量比下的涡激振动进行了数值模拟研究。在约化速度为4.2~9时出现锁定现象，旋涡脱落的固有频率被结构固有频率锁定，发生共振，振幅出现极大的增长，其最大值为0.57倍的直径。升力幅值、阻力均值、阻力幅值也在锁定区域内有较大增长。同时在约化速度时观察到了明显的差拍现象，这是因为旋涡脱落频率还未完全被结构的固有频率锁定，振幅响应中包含旋涡脱落频率和结构固有频率两个成分，并且这两个成分的频率非常接近，从而造成了差拍现象。最后，对低中高质量比下圆柱涡激振动进行了分析比较，发现随着质量比的增大，锁定区间会减小，响应的振幅幅值也会减小，而升力系数和阻力系数受质量比影响较小。

关键词：圆柱绕流；涡激振动；质量比；数值模拟

Abstract

Cylindrical structures are widely used in ocean engineering structures. The vortex-induced vibration easily lead to the fatigue failure of ocean engineering structures. Therefore, the research on the flow around circular cylinder and vortex-induced vibration is significant for ocean engineering structures. In this paper, the flow around circular cylinder and the vortex-induced vibration of a cylinder are investigated by the numerical method through the ANSYS/FLUENT program, the effect of mass ratio for vortex-induced vibration is emphasized. The main conclusions of this paper are as follows：

Numerical analysis have been conducted for the flow on a two-dimensional cylinder at Re=200. The results show that the amplitude of lift coefficient is 0.742, the mean drag coefficient is 1.447, and the Strouhal number is 0.1992. The formation process of vortex street is illustrated, and the periodicity of vortex street is confirmed by the velocity cloud diagram. Then, the flow on the cylinder is simulated with Reynolds number from 1 to 10⁵, the lift coefficient reaches its maximum value at Re=2000, which is 1.3849. the drag coefficient and Strouhal number change a little with Re from 100 to 10⁵. And the drag coefficient remains around 1.1, the Strouhal number remains around 0.2.
The vortex-induced vibration of a spring-mounted cylinder with typical mass ratio is numerically simulated. The lock-in area is confirmed at Reduced velocity from 4.2 to 9. At where the vortex shedding frequency is locked by the natural frequency of the cylinder, and resonance happens. The amplitude dramatically increases in the lock-in area and it’s the maximum is 0.57. In the lock-in range, the amplitude of lift coefficient, the mean and the amplitude of drag coefficient are similarly dramatically increasing. At reduced velocity Ur=4.2, an obvious beat phenomenon is observed. The reason is that the vortex shedding frequency is not completely locked by the natural frequency of the structure, and the amplitude response contains two components, one with the vortex shedding frequency and the other with natural frequency of the cylinder, and the two frequencies are very close, resulting in the beat phenomenon. Finally, vortex-induced vibration of the cylinder with low, medium and high mass ratio have been simulated. As the increase of mass ratio, the range of lock-in area decreases and the amplitude of the response decreases, nevertheless the lift and drag coefficients are less affected by the mass ratio.

Key Words：flow around circular cylinder; vortex-induced vibration; mass ratio; numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2涡激振动的研究现状 1

1.3质量比对涡激振动影响的研究现状 3

1.4本文主要工作 4

第2章 ANSYS软件概述 6

2.1计算流体力学概述 6

2.2ANSYS软件介绍 7

2.3FLUENT模块 7

2.3.1软件概述 7

2.3.2网格划分 8

2.3.3计算方式 8

2.4其他模块 8

2.4.1 ICEM模块 8

2.4.2 CFD Post模块 8

2.4.3 System Coupling模块 9

第3章 二维圆柱绕流的数值模拟 9

3.1模型的建立和网格的划分 9

3.1.1模型的建立 9

3.1.2网格的划分 10

3.2计算参数的设置 10

3.2.1概述 10

3.2.2物理参数 11

3.2.3边界条件 11

3.2.4时间步设置 11

3.3计算结果 12

3.3.1流场分布 12

3.3.2圆柱绕流数值模拟验算 15

3.3.3 不同雷诺数下的数值模拟 16

3.4本章小结 19

第4章 不同质量比下圆柱涡激振动的数值模拟 20

4.1数值模型建立与分析 20

4.1.1几何模型 20

4.1.2参数设置 22

4.2圆柱涡激振动特性研究 23

4.3不同质量比对涡激振动的影响 30

4.4本章小结 32

第5章 结论与展望 33

5.1本文结论 33

5.2工作展望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

现如今，世界呈现多元化发展，能源问题已经成为国际的热点。据调查，仅石油一项能源在海底的存储量就达1300亿吨，占世界可开采石油的百分之三十。我国的南海就是一个相当庞大的资源库，其地质储量大约在300亿左右，如果全部进行开采将会使我国的能源供给压力减轻三分之一。作为世界上最大的发展中国家，能源问题一直是掣肘我国高速发展的最大阻力。但我国对于海洋石油资源的开采还十分有限，我国南海作业水深至少需要1000米，而我国经过多年的努力作业水深也只能刚刚达到500米，距离南海开采的要求还有巨大的差距，这种技术的瓶颈也是阻碍我国深海石油开采的根本原因。因此加强深水区的石油勘探已经成为国家的科学研究的当务之急，我国迫切需要发展深海油气开发和勘探技术。海洋石油资源的开发工程主要包括海洋钻井、采油、油气分离和油气集输等工程技术。而在海洋石油资源开发过程中，不可避免地要用到海洋立管等圆柱形结构。而在海流的作用下，结构会因为绕流产生的压差而发生振动，振动会使结构发生疲劳破坏，因此需要对圆柱绕流及涡激振动进行必要的研究。掌握涡激振动的相关特性，才能对各种环境中的立管涡激振动响应做出准确的预报，也才有助与立管疲劳损伤的评估，并采取有效的方法来抑制涡激振动所带来的疲劳损害。所以，对涡激振动展开系统科学的研究有广泛的工程理论背景和切实的意义。

1.2涡激振动的研究现状

涡激振动是指结构物在来流作用下两侧发生周期性涡脱落，结构物会受到垂直于流向的横向力，引发结构物振动，这种由泄涡引起的结构物的振动被称为涡激振动。

有史可查最早有关涡激振动的描述可以追述到犹太人所记载的文献，大卫王夜间无意在床头放了一把多弦琴，居然神奇的在夜里听到它在夜晚的风中发出了嘤嘤的声音。然而，当时并没有人发现这种现象和圆柱涡激振动联系起来。到了十五世纪，著名的画家DaVinci在一个绕流体的尾流中画了一连串的旋涡，那时人们已经通过观察生活中的现象发现了这一规律，然而也缺乏对其进行系统的研究和科学的分析。1878年数学家Strouhal发现弦线的振动频率只和弦线的直径和速度有关，并且其值为一个固定的常数。后人为了纪念他的这一发现将这个常数命名为斯特劳哈尔数。1911年伟大的科学家Von Karman跨时代的用复势流理论研究了圆柱绕流的机理，并且创造性的导出了长圆柱体沿中轴线垂直方向在静