具有自由液面的圆柱泄涡抑制机理研究

With the world comprehensively promoting the maritime power strategy, the global competition has promoted from the offshore to the deep water, so all kinds of physical structures of marine engineering are facing severe challenges. The issues of vibration, oscillation and fatigue induced by vortex shedding for the traditional cylindrical structures are obviously remarkable, especially for cylindrical structures with free surface. Wake vortex shedding of cylinderical structures with free surface closely relates to some special phenomena: the separation of boundary layer, tiny bubbles suction, vortex rolling and deep drop of back pressure area, so the suppression of it is becoming a new research hotspot. In this project, based on the concept of eliminating vortex by suppression plate and OPENFOAM source, three-dimensional mathematical computational model of gas-liquid two phases for vortex shedding will be built, and then the study on the mechanism of anti-vortex of suppression plate will be carried out by combining the advanced numerical computational method with the experimental testing method. The evolution characteristics of wake flow and variation of wall pressure and hydrodynamic parameters with the shape parameters will be obtained. The aim of this project is to pose the optimal structure parameters of suppression plate to suppress vortex shedding, and then provides scientific basis and technical support for the cylindrical structural design and application in the field of deep water engineering.

随着世界各国全面推进海洋强国的战略，全球新一轮竞争的前沿阵地已由近岸浅海向远深海全面推进，因此海洋工程各类结构物都面临着严峻的挑战。由旋涡发放诱发的传统圆柱型结构物的振动（振荡）、疲劳等问题在深海海域尤显突出，尤其是具有自由液面的圆柱结构。因其尾涡发放涉及边界层的分离、吸气旋涡的运动、旋涡的旋滚和背压区液面的陡降等现象，所以其抑制方法研究成为新的难点。本课题在提出抑制板"消涡"概念的基础上，基于OPENFOAM代码建立气-液两相涡流的三维数学计算模型，采用数值计算和试验测试相结合的研究方法，得出变参数时圆柱尾流的演变特性，壁面压力变化特性和水动力参数的变化规律，旨在提出抑制板的最优结构参数以有效抑制泄涡，为海洋工程中圆柱型结构的设计与应用提供科学的依据和技术支持。

随着海洋工程全面地向深海领域迈进，海洋工程中的各类结构物更加地面临严峻的海流或海浪的威胁，如圆柱型结构因旋涡发放诱发的所致的振动等问题尤显突出。因此其力学机理和抑制方法的研究成为当前学术界的研究热点。尤其是具有自由液面的圆柱结构，因其尾涡发放涉及边界层分离、吸气旋涡运动、背压区液面的陡降等复杂现象，这使得其抑制方法的研究具有一定的挑战。. 本课题在提出在柱体背压区附着抑制板来"消涡"技术的基础上，修正了K-epsilon方程湍流模型，建立气-液两相涡流的三维湍流数值计算模型，并嵌入到基于OPENFOAM中编译可调用的代码。基于这种数值计算方法，本课题数值模拟了具有自由液面的圆柱体的吸气旋涡与水下旋涡耦合现象和液面的波动现象；进而研究了有、无自由液面效应时，抑制板对湍流中二维和三维圆柱尾流泄涡的抑制机理、抑制效果，抑制板的结构参数数值优化设计和试验测试。在数值计算的基础上，本课题充分地开展物理模型试验设计与测试研究，采用对比的研究方法，论证了数值计算的正确性，并发现了新的现象。经本课题的系列研究获得以下重要成果：. 1）提出并建立了修正的Kepslion湍流数学模型，形成了编译代码。并将其应用于高雷诺数时二维圆柱绕流、二维圆角方柱流动分离和三维全比尺TLP平台的强流载荷预报实际工程中。很好地验证了本项目数值方法的计算精度和有效性，提高了计算效率。. 2）数值预报了在不同Re数时有、无抑制板三维圆柱体的泄涡问题，分析了水动力参数，揭示了抑制机理，量化了抑制板的二维及三维结构参数，获得了抑制板结构的最优参数。在优化参数抑制板的作用下，无自由液面的三维柱体受到的总体稳态阻力降低近28%，总体脉动阻力和脉动升力分别降低近85%和70%；使得有自由液面的柱体在各Fr数下的稳态阻力系数 降低近20%、脉动阻力系数 在高Fr数时降低60%之多，脉动升力系数降低近70%；同时使得总体阻力系数（和粘性阻力系数降低20%左右。抑制板最优参数的获得对海洋工程柱形的减振问题可提供了设计参考依据。. 3）经数值计算与物理模型试验的对比分析获得：柱体前缘自由液面最大爬升高度)与后缘自由液面陡降深度与来流Fr 数的关系。发现了：柱体后缘自由液面呈现出漏斗状旋涡斗；吸入气泡的卷起与吸入深度随Fr数的变化而变化，在高Fr数时吸入气泡可运动到液面下1/3柱体长度范围。