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有限长圆柱流固耦合分析及实验验证
| 论文题名： | 有限长圆柱流固耦合分析及实验验证 |
| 关键词： | 流固耦合;旋转圆柱;阻力系数;长径比;数值模拟;半潜式海洋平台 |
| 摘要： | 有限长圆柱流固耦合振动的研究在海洋工程中如半潜式海洋平台有重要的应用价值。近年来国内外越来越多的学者致力于研究有限长圆柱流固耦合的振动特性，并开始尝试用旋转圆柱替代螺旋桨进行流固耦合的简化研究。有限长圆柱的尾流和自由端的流动相当复杂，传统的实验方法不能满足相似参数和相似定律的要求，且测量以及尾流观察都比较困难，数值模拟的兴起势在必行；而螺旋桨流固耦合分析的参数复杂性和巨大计算量也成了影响其发展的瓶颈。因此，为了对各项参数对有限长圆柱绕流的影响有一个更系统的研究，同时为开展旋转圆柱替代螺旋桨进行流固耦合分析的简化模型可行性研究提供基础，本文进行了有限长圆柱流固耦合分析研究及实验验证。 本文首先对数值模型和计算方法展开验证，通过对二维圆柱绕流的双向流固耦合分析、两端固定式三维无限长圆柱的受力和涡量分析两个算例验证了本文数值方法的可靠性。其次，为了研究不同工况对有限长圆柱绕流升阻力系数及尾流场的影响规律，采用CFD（计算流体动力学）与实验相结合的方法，对一端固定一端自由的三维有限长圆柱在不同长径比、不同雷诺数工况下的流动进行了数值模拟和实验验证。CFD部分通过网格独立性验证和湍流模型选择，采用k?ω湍流模型并结合阻力系数分析和流场可视化对不同工况下三维有限长圆柱进行了分析；实验设备部分利用自行设计的四立柱式测力计和试验支架，完成了实验设备装配、标定和测试，并与相同工况下的CFD结果进行了对比分析。随后，本文又进一步研究了不同的结构场材料对有限长圆柱变形量的影响及对升阻力系数和尾流场的影响规律，对采用不同结构场材料的三维有限长圆柱进行了流固耦合计算和实验验证，分析了其受力、变形、涡量场和速度分布。最后，在以上分析的基础上，将螺旋桨的桨叶替换成圆柱进行了旋转圆柱的流固耦合计算。分析了旋转圆柱在不同工况下的变形和振动特性，并将计算得到的尾流场与文献进行了对比分析，发现旋转圆柱的迹线与螺旋桨的迹线有高度相似性，在一定情况下可以用旋转圆柱代替螺旋桨的桨叶进行分析，可大大减少工作量。 通过本文的研究，进一步丰富了相关参数对不同工况下有限长圆柱的流固耦合影响规律，为相关海工结构设计提供了更丰富的数据参考；对有限长圆柱代替真实的螺旋桨叶片进行流固耦合分析可行性提供了数据支持。 |
| 作者： | 梁圣召 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 梅蕾 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2020 |
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