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基于CFD双山岛强涡区二维流场数值分析

基于CFD双山岛强涡区二维流场数值分析

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作者：回广禄大连海事大学

学位级别：硕士

舟山海域岛屿众多,地形复杂,交通流密集。双山岛位于舟山虾峙门航道中心位置,由于其特殊的地理位置和地形地貌,易出现较大范围的强涡流场。这对该水域内航行的船舶的操纵性能将产生较大的影响,海上交通事故时有发生。本文通过对双山岛... 详细信息

舟山海域岛屿众多,地形复杂,交通流密集。双山岛位于舟山虾峙门航道中心位置,由于其特殊的地理位置和地形地貌,易出现较大范围的强涡流场。这对该水域内航行的船舶的操纵性能将产生较大的影响,海上交通事故时有发生。本文通过对双山岛附近的强涡区进行数值模拟研究,分析在涨潮和落潮期间的强涡发育过程、涡心位置分布、涡区特征半径以及涡区最大速度,利用弹性网络回归等方法对强涡区以上特征进行回归分析。本文基于CFD技术,利用Fluent流体计算平台,借助电子海图系统,建立了双山岛二维实尺寸几何模型。通过非结构三角形网格进行网格划分,选用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型。为了验证所选用算法的精度,对双山岛周围水域大潮、中潮和小潮各进行连续24h数值模拟。基于沈家门观测站的实测数据与模拟结果对比,发现数值模拟得出的流速流向、涨落历时与实测数据基本吻合,验证了数值模型的可信度,同时结合双山岛流场瞬时分布和虾峙门航道特征点进行辅助验证。通过上述验证实验发现双山岛周围有强涡存在,遂采用验证实验相同的模型及设置对双山岛强涡区流场进行数值模拟。由速度云图发现落潮阶段双山岛西南侧水域因岬角弯曲扰动存在强涡区,涨潮阶段双山岛西北侧水域因钝体绕流效应存在强涡区,以这两个强涡作为研究对象,分别从发育过程、涡心位置、特征半径和最大速度四个特征开展研究。通过对计算结果的整理发现落潮阶段西南侧强涡在落潮初期特征半径较大,强涡最大速度较小,随着落潮发展,涡心位置逐渐朝双山岛西南侧移动,远离双山岛,特征半径明显变小,落急时刻,特征半径最小,强涡最大速度最大;涨潮期间西北侧强涡随着涨潮的发展,强涡特征半径增大,最大速度也增大,强涡向双山岛西北侧移动,接近双山岛,在涨急时刻达到强涡特征半径和最大速度的最大值。最后,结合双山岛强涡区数值模拟结果,分别对强涡区涡心位置运用一元二次方程,特征半径和最大速度运用弹性网络模型进行回归分析,得出涨潮和落潮阶段的涡心位置95%预测带,设计选用最适合的弹性网络回归模型,对比验证弹性网络回归的优越性,为双山岛周围水域船舶航行提供强涡区特征参考。

关键词： CFD 双山岛强涡区数值模拟回归分析

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