论文总字数：22006字

摘 要

立管被广泛应用于海洋工程结构中，当海流经过立管结构时，产生的涡激振动会引发结构的疲劳破坏。立管作业时，周围会有附属管，多管之间的相互耦合会引发更复杂的涡激振动。当前对不等直径多管之间的耦合研究存在不足，为探讨多管（多圆柱）之间的相互耦合影响，本文采用数值模拟的方法，利用Fluent对二维单/双圆柱绕流进行了研究，并在此基础上开展了单/双圆柱涡激振动的研究，主要内容如下：

研究了雷诺数时圆柱绕流的斯特劳哈尔数为0.19，阻力系数为1.19，并发现了卡门涡街的现象。

在雷诺数的基础上开展并列不等直径双圆柱绕流，研究不同间距比对流场的影响，当间距比小于2.8时流动不能达到稳定，两圆柱交替对下游流场起作用，两个圆柱的尾流模式比较混乱，存在两条涡街，但涡街并不稳定，不具有周期性。在间距比时，得到最大的升力幅值和最大的阻力均值，其中大圆柱的阻力系数均值为1.34，升力系数幅值为0.88，小圆柱阻力系数均值为0.8，升力系数幅值为0.65.；间距比大于2.8时，流动能达到稳定并出现同步现象，间距比越大两圆柱之间的相互作用越弱，当间距足够大时，近似于两圆柱各自做单圆柱绕流,两个圆柱的尾流模式接近稳定，两个圆柱下游的涡各自交替脱落且出现同步现象，存在两条稳定的涡街，并且具有明显的周期性。

之后在圆柱绕流的基础上开展了单圆柱涡激振动，在振动响应曲线上观察到了初始分支，下端分支和锁定区。当约化速度，结构固有频率和涡脱落频率相近，发生共振，无量纲振幅达到最大值0.71。圆柱的锁定区为，在此区间无量纲振幅基本保持不变。当约化速度和时涡脱落频率和结构固有频率相差很大，故其无量纲振幅很小。

在单圆柱涡激振动的基础上开展了不等直径并列双圆柱的涡激振动，重点研究了当间距比时的升力系数、阻力系数和位移的大小，小圆柱对大圆柱起到促进作用，大圆柱的阻力系数均值为1.65，其阻力系数均值小于约化速度时单圆柱涡激振动的阻力系数均值2.6，升力系数幅值为2.03，大于单圆柱的升力系数幅值1.02。

关键词：圆柱绕流；涡激振动；不等直径并列双圆柱；数值模拟

Abstract

In the development and utilization of modern marine resources, there are usually many structures on the sea, many of which are cylinder structures. In the complex marine environment, the cylinder will be damaged, and the important reason is vortex induced vibration（VIV）. In this paper, the flow around a two-dimensional single / double cylinder is studied by using Fluent, and the vortex induced vibration of a single / double cylinder is studied based on the numerical simulation. The main contents are as follows:

The time history curves of lift coefficient and drag coefficient at Reynolds number are studied, and the phenomenon of Carmen vortex street is found.

On the basis of Reynolds number Re = 3900, the flow around two parallel and unequal diameter cylinders is carried out. The influence of different spacing ratio on the flow field is studied. The larger the spacing ratio is, the weaker the interaction between the two cylinders is. When the spacing is large enough, the flow around two cylinders is similar to that around a single cylinder.

After that, the vortex induced vibration（VIV） of a single cylinder is carried out on the basis of the flow around the cylinder. The initial branch, the lower branch and the locking region are observed on the vibration response curve. When , the natural frequency and vortex shedding frequency are similar, resonance occurs, and the dimensionless amplitude reaches the maximum value of 0.71. The locked region of the cylinder is, in which the dimensionless amplitude remains basically the same. Whenand,the frequency of vortex shedding is very different from the natural frequency of the structure, so its dimensionless amplitude is very small.

Based on the vortex induced vibration（VIV） of a single cylinder, the vortex induced vibration（VIV） of two parallel cylinders with different diameters is carried out. The lift coefficient, drag coefficient and displacement are studied when. Compared with the vortex induced vibration（VIV） of a single cylinder, the small cylinder can promote the large cylinder.

Key Words： flow around circular cylinder；VIV；two parallel cylinders of unequal diameter；numerical simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2 国内外研究进展 2

1.2.1 单圆柱涡激振动的研究 2

1.2.2 多圆柱涡激振动的研究 4

1.2.3 CFD 数值方法的研究 4

1.3 UDF简介 5

1.4 Workbench简介 5

1.5 本文的研究内容 7

第2章 单圆柱绕流的数值模拟 8

2.1流体力学理论知识 8

2.2计算模型 8

2.2.1建模过程 8

2.2.2网格节点数和时间步的设定 9

2.3数值模拟结果分析 11

2.3.1升力系数及阻力系数 11

2.3.2涡量场 12

2.4本章小结 12

第3章 不等直径并列双圆柱绕流的数值模拟 13

3.1计算模型 13

3.2数值模拟结果分析 14

3.2.1升力系数与阻力系数 14

3.2.2涡量场 16

3.2.3不同间距比下的斯特劳哈尔数 18

3.3本章小结 19

第4章 单圆柱涡激振动的数值模拟 20

4.1计算模型 21

4.1.1物理模型 21

4.1.2动网格及时间步设置 21

4.2数值模拟结果分析 22

4.2.1最大振幅随约化速度的变化 22

4.2.2升力、阻力系数和位移 23

4.3本章小结 27

第5章 不等直径并列双圆柱的数值模拟 28

5.1计算模型 28

5.2数值模拟结果分析 29

5.3本章小结 30

第6章 结论 32

6.1工作总结 32

6.2创新点 33

6.3研究展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

随着经济和科技的发展，人们对资源的消耗越来越大。人们对资源需求的迫切性与土地资源的稀缺性之间的矛盾越来越严重。因此，海洋因其丰富的资源而越来越受到人们的重视。在海洋资源的勘探和利用过程中，产生了多种海洋工程结构物，如海上风力发电设备、海洋石油钻井平台等。在这些海洋结构物的工程设计中，使用了大量的圆柱结构物。在复杂多变的海洋环境中，海流经过圆柱结构物是容易引发结构物的涡激振动，严重的涡激振动可能引发结构的疲劳破坏。

对圆柱绕流的研究是涡激振动研究的基础。两种物理模型的区别在于支撑方式的不同。圆柱绕流模型可视为涡激振动模型的简化。在绕流问题中，假定圆柱为刚性支承，其在流场中的位置是固定的；在涡激振动问题中，假定圆柱为弹性支承，在流场中振动。对于刚性圆柱结构，如风荷载作用下的冷却塔、河水冲击下的桥墩等，流场对其的影响可以归结为圆柱绕流问题。然而，在海洋领域，钻井立管和采油立管等刚度较小的结构，由于流场的影响，会产生较大的振动，这就应该归因于圆柱的涡激振动问题。

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