具有自由液面效应的圆柱绕流三维数值模拟

2012-09-27岳永威李梦阳孙龙泉

船舶 2012年4期

岳永威李梦阳孙龙泉王领

（哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨 150001）

0 引言

随着海洋工程的飞速发展，越来越多的圆柱结构物出现在实际工程中，如海洋工程中的立管、平台、水下输油管道等，与之紧密相关的圆柱绕流问题也日益成为科研领域关注的热点［1］。目前，国内学者关于圆柱绕流的研究成果大多是基于深海、二维条件下得出的，计及自由液面效应的三维圆柱绕流问题的文献并不多见，许多自由液面作用下海洋结构物绕流特性的现象和本质还没有被揭示。事实上，当结构穿透自由液面时，物体表面的粘性效应将会被激发，因自由液面而产生的这种效应会对结构物周围的流场特性产生影响［2-4］。因此，有必要对圆柱绕流在自由液面影响下的水动力特性进行分析，进而为相关的理论研究和工程设计提供依据。

随着数值方法和计算机模拟技术的发展，数值模拟由于建模简便、计算成本低、流场可视化等优点，逐渐成为研究圆柱绕流问题的一种重要手段［3-4］。本文基于计算流体力学软件CFX，应用RNG k-ε湍流模型，结合VOF方法，在雷诺数为104～105、傅汝德数为0.15～0.88范围内，研究均匀流场中半沉浸三维圆柱穿透自由液面的绕流问题，分析自由液面对圆柱尾迹的影响以及不同雷诺数和傅汝德数情况下的流场特性，通过总结圆柱水动力特征系数随流场傅汝德数和雷诺数的变化规律，得出具有自由液面时圆柱绕流的水动力特性。