组合流作用下圆柱立管的水动力荷载及尾涡脱落实验研究

作     者：董官宁 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈廷国

授予年度：2021年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：组合流 实验研究 圆柱绕流 粒子图像测速 

摘      要：作为海洋工程中常见的结构之一,圆柱在水流中所受的水动力荷载及其内在机理一直是工程界关注的问题。当一定流速的来流作用于圆柱时,圆柱的尾部会产生交替脱落的旋涡。交替脱落的旋涡将对圆柱施加一定频率的周期性荷载,根据共振的原理,当周期性荷载与圆柱的固有频率接近时圆柱会发生共振,严重时甚至会破坏工程结构。因此,圆柱绕流问题一直以来都是海洋工程的研究重点。稳定流和振荡流是圆柱绕流问题中最基本的两种流动形式。本文对同时受到稳定流和振荡流作用(即组合流)的圆柱展开了物理模型实验研究,总结了不同雷诺数、KC数、流向角的组合流作用下圆柱所受的水动力荷载以及圆柱后方的旋涡脱落现象,主要的研究内容和结论如下:测量了不同参数组合流作用下圆柱升力系数的频率与幅值。研究结果表明:当振荡流幅值较大时,圆柱升力的频率与振荡流频率关系密切;由于稳定流与振荡流的非线性耦合,升力的频率与幅值随流场参数改变明显,且并非简单的线性关系。将组合流作用下圆柱所受水动力荷载最大值与稳定流和振荡流分别作用下水动力荷载最大值的线性叠加结果进行了比较。结果表明:组合流作用下圆柱的水动力荷载最大值与线性叠加的结果差异较大,且随组合流参数产生较大的变化;若使用线性叠加结果作为组合流作用下圆柱的最大荷载将可能产生设计危险。对此,本文给出了新的叠加计算方法,保证了在本文研究的参数范围内,通过叠加方法计算得到的最大水动力荷载均大于组合流作用下的真实值且无过多富余,兼顾了安全性与经济性。采用粒子图像测速技术(piv)对圆柱周围的流场进行了测量,得到了不同组合流作用下圆柱后方的旋涡脱落规律。结果表明:改变稳定流和振荡流夹角时,会对圆柱尾流区的旋涡脱落模式产生显著的影响;本实验中当稳定流和振荡流夹角(θ)较小时,圆柱的旋涡脱落模式p/q=1/2;当θ≥67.5°时,p/q=1/1。在本实验研究参数范围内,θ=0°时,圆柱后方的旋涡脱落模式与稳定流作用下的脱落模式的差异随KC数的增大逐渐明显,但旋涡脱落频率(f)一直被振荡流频率(f)所控制,p/q=1/2。