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基于改进的浸入边界-格子Boltzmann方法圆柱绕流研究
| 论文题名： | 基于改进的浸入边界-格子Boltzmann方法圆柱绕流研究 |
| 关键词： | 浸入边界法;圆柱绕流;涡激振动;流固耦合;流体力学 |
| 摘要： | 圆柱绕流是流体力学领域研究的基础性课题，其随雷诺数改变所展现出丰富的规律性一直受到国内外学者的热切关注。在船舶和海洋工程领域里，随着海洋开发工作的持续推进，越来越多结构复杂的海洋结构物投入使用，如何预测和控制海洋平台的桩柱结构、海洋立管等圆柱型物体在海洋中的圆柱绕流及其诱发的涡激振动问题是工程中亟待解决的问题。 本文提出了改进的浸入边界-格子Boltzmann方法，基于新的数值方法对圆柱绕流和涡激振动问题开展了多项研究工作，考察了静止圆柱，不同排列方式下双圆柱系统的绕流问题，并实现了涡激振动中的受迫振动的模拟，主要对圆柱绕流和涡激振动展现出特性和内在机理进行分析，加强此类复杂流固耦合问题的认识，为海洋平台等海洋结构物的设计提供理论指导和技术支撑。 本文首先对格子Boltzmann方法的理论基础进行介绍，从气体动理论出发通过严密的推导得到格子Boltzmann方程，并针对需要研究二维流动的问题建立格子Boltzmann方法的基本模型，通过Chapman-Enskog多尺度分析最终实现使用格子Boltzmann方程模拟宏观层次上的Navier-Stokes方程，为下文的研究做好理论方面的铺垫。 边界处理是数值方法中重要的组成部分，通过引入浸入边界法实现对圆柱壁面等曲面边界的精确处理，并将浸入边界法与格子Boltzmann方法融为一体，针对浸入边界法中的缺陷，改进核函数和欧拉点与拉格朗日点之间速度关系的插值公式，提出改进的浸入边界-格子Boltzmann方法，并自行编写程序实现。采用静止圆柱绕流的数值算例，通过与文献中结果对比，对新数值方法的可行性、稳定性和准确性进行说明。 针对工程中出现多柱体系统的绕流问题，建立多柱体系统的简化双圆柱模型，考虑串列和并列两种不同排列方式下的静止双圆柱绕流，分析雷诺数和圆柱圆心距离等参数对流场尾涡脱落模式和流体对圆柱作用力的影响，通过对比单圆柱绕流结果，充分讨论圆柱之间的干扰作用对流场的改变，对多柱体绕流的机理深入剖析。 涡激振动鉴于其本身的复杂性和多变性，是海洋工程和流体力学中研究的热点和难点，通过开展横向振动圆柱绕流的研究工作，对涡激振动中的受迫振动进行模拟。根据不同频率比和振幅下受迫振动计算结果的对比，说明受迫振动振幅和频率两个参数对受迫振动下流场旋涡脱落形态的影响，分析在不同雷诺数中频率锁定区域的范围，指出涡激振动发生的条件。在受迫振动研究的基础上，考察流体和固体之间的作用力关系，开展对涡激振动内在机理的探索，为涡激振动中自激振动等其他难题的研究拓展思路。 |
| 作者： | 焦晗 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 许维军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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