附加整流罩立管繞流的數值模擬

畢貞曉　唐建國　郭雯雯　李軍

摘要：在經典亞臨界雷諾數Re=3900下，通過大渦模擬（LES）方法對附加整流罩（75°）單圓柱的繞流現象進行三維數值模擬，研究附加整流罩對主管線受力的影響。結果表明附加整流罩能夠很好地抑制圓柱渦的脫落，研究結果為控制裝置結構的優化提供理論支撐。

Abstract： Under the classic subcritical Reynolds number Re=3900， the large eddy simulation （LES） method is used to perform a three-dimensional numerical simulation of the flow around a single cylinder of an additional fairing （75°） to study the effect of the additional fairing on the main line force. The results show that the additional fairing can well suppress the shedding of the cylindrical vortex. The research results provide theoretical support for the optimization of the control device structure.

關鍵詞：大渦模擬（LES）;升阻力系數;渦脫落頻率

Key words： large eddy simulation（LES）;lift resistance coefficient;vortex shedding frequency

中圖分類號：TE952? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0238-02

0? 引言

在理論上，海洋工程中的立管結構可簡化為多圓柱排列的圓柱繞流模型。海洋立管尾跡周期性的渦脫落，會使海洋立管受到力的作用而導致損壞，甚至出現石油或燃氣泄漏現象，不管在經濟方面還是環境方面，均產生損失甚至污染環境。通過控制裝置來減少渦脫落現象對立管的受力就很重要，且很有意義。立管圓柱繞流流動控制方面主要從理論研究、實驗研究和數值模擬研究三個方面來研究。就目前而言，對圓柱繞流實驗研究的方法，特別是對多圓柱繞流實驗研究，比較困難，同時也產生很大的經濟成本。而很多研究者會使用數值模擬的方法對圓柱繞流進行研究，使用數值模擬方法較多的是基于雷諾平均（RANS）方法和大渦模擬（LES）方法[1]。謝瀟瀟等[2]采用直接數值模擬方法對雷諾數為100時頂角為15°～165°的三棱柱的二維繞流問題進行了數值模擬研究，發現頂角度數影響三棱柱體受到的時均阻力系數和升力系數。王偉[3]采用非定常數值計算方法，通過構造脊狀結構脊狀結構對圓柱繞流的控制作用。Grant和Patterson[4]以及Kumar[5]等利用固定整流罩抑制立管的渦脫落，達到了立管阻力和升力的振幅大幅度減小的效果。考慮到來流方向對固定整流罩的影響，谷斐[6]等通過實驗研究得出安裝旋轉整流罩可適應來流方向，同時也能夠抑制渦的脫落。譚波[7]對安裝固定整流罩不同的頂角角度的隔水管進行數值研究，得出固定整流罩角度？茲設置為60°時，整流罩能很好地控制隔水管的渦激振動。畢貞曉[6]數值模擬了不等直徑并列圓柱的間距比（T/D=1.2、1.5、1.8和2.7）對主圓柱的渦脫落影響，發現T/D=1.2時，附屬小圓柱能夠強烈抑制主圓柱渦的脫落，主圓柱升阻力系數最小。

本文采用Smagorinsky動力亞格子模式的大渦模擬方法，基于FLUENT平臺，附加整流罩的單圓柱繞流數值模擬研究的來流條件設置為亞臨界雷諾數Re=3900、湍流強度I=5%，并將該數值結果與同等條件下的單圓柱繞流的結果進行比較，發現整流罩能夠有效地控制海洋立管的渦脫落，達到減小圓柱體的受力的效果。

1? 附加整流罩單圓柱物理模型

畢貞曉[8]已對本次數值模擬研究采用的數值模型及方法通過把時均流速和圓柱表面壓力系數兩個參數與前人實驗研究的結果進行了比較和驗證，對比發現時均流速和圓柱表面壓力系數兩個參數的數值結果和實驗結果基本一致，這對本文中所采用的數值模型及方法的可靠性進行驗證，本文數值模擬研究中，所安裝的附加整流罩的角度設置為75°，附加整流罩單圓柱繞流數值模型的計算區域、網格劃分、來流初邊值條件以及數值格式等均與單圓柱繞流模型數值研究參數設置一致。圖1和圖2分別給出了附加整流罩單圓柱繞流網格整體圖和附加整流罩單圓柱周圍網格的局部放大圖。

2? 附加整流罩單圓柱繞流的受力分析

圖3和圖4分別給出了單圓柱和附加整流罩單圓柱阻力系數分布和升力系數比較分布圖，單圓柱的時均阻力系數Cd=1.25，附加整流罩的單圓柱時均阻力系數Cd=0.99。根據前期數值模擬結果，未附加整流罩的單圓柱的升力系數的波動范圍為±1.1716，而附加整流罩單圓柱的升力系數的波動范圍是±0.5321，對比時均阻力系數和升力系數兩個參數，發現附加整流罩單圓柱阻力系數減小了20.8%，并且升力系數的波動范圍減小了54.5%。這是因為當流體經過附加整流罩單圓柱時，流體在圓柱的垂向作用有效減弱，并且不穩定。整流罩推移了圓柱尾跡的渦脫落產生位置，使得渦脫落的周期延長，整理罩能夠改善圓柱的受力特性，進而延長海洋立管的壽命。

3? 附加整流罩單圓柱繞流升力功率譜分析

分別對單圓柱的升力系數、附加整流罩單圓柱的升力系數進行快速傅里葉變換（FFT），得出單圓柱的渦脫落頻率為7.28Hz，附加整流罩單圓柱的渦脫落頻率為7.14Hz。通過對比得出，單圓柱安裝整流罩與否對單圓柱的渦脫落頻率影響不是很大，但是安裝整流罩對減小渦脫落頻率的幅值有明顯的效果，使得圓柱尾跡渦脫落的運動周期性變得很弱且渦脫落頻率的峰值變得很低。這均表明安裝整流罩能夠達到明顯抑制圓柱渦的脫落和減小圓柱渦脫落的周期的效果。

4? 結論

本文采用數值模擬的方法對同等條件下的單圓柱繞流和安裝頂角為75°的整流罩單圓柱繞流的數值結果進行了對比，發現安裝整流罩后單圓柱的渦脫落得到抑制，圓柱的受力情況得到較大改善。數值結果表明，附加整流罩單圓柱的時均阻力系數減小了20.8%，升力系數的波動幅值減小了54.5%。由此得出附加整流罩能夠很好地抑制圓柱渦的脫落。本文只考慮了整流罩頂角為75°的情況，后期可研究安裝不同角度的整流罩對單圓柱繞流、不等直徑串列或并列多圓柱繞流的影響以及其它形狀（三棱柱等）的影響。研究結果可為渦脫落控制裝置結構的優化提供理論支撐，為延長海洋立管的壽命和海洋環境的保護提供一定的理論價值。

參考文獻：

[1]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

[2]謝瀟瀟，及春寧，John Williams.低雷諾數下不同頂角三棱柱體繞流受力和尾渦脫落機制[J].水電能源科學，2018（6）.

[3]王偉，宋保維，毛昭勇，等.脊狀結構表面圓柱繞流的流體特性研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2018，46（9）.

[4]GRANT R.， PATTERSON D. Riser fairing for reduced drag and vortex suppression. Off share Technology Conference， 1977， Houston， Texas， U.S.A.

[5]KUMAR R. A.， SOHN C. H. and GOWDA B. H. L. Passive control of vortex –induced vibrations： An overview. Recent Patents on Mechanical Engineering， 2008， 1（1）： 1-11.

[6]谷斐.隔水管渦激振動抑制裝置的流動控制實驗研究[D]. 上海：上海交通大學，2012.

[7]譚波.深水隔水管渦激振動控制裝置的數值模擬[D].上海：上海交通大學，2009.

[8]Xiang Qiu，Zhen-xiao Bi，Jian-ping Luo.Vortex shedding in the flow around two side-by-side circular cylinders of different diameters.Journal of Hydrodynamics，2017（3）.