附加整流罩立管绕流的数值模拟

毕贞晓　唐建国　郭雯雯　李军

摘要：在经典亚临界雷诺数Re=3900下，通过大涡模拟（LES）方法对附加整流罩（75°）单圆柱的绕流现象进行三维数值模拟，研究附加整流罩对主管线受力的影响。结果表明附加整流罩能够很好地抑制圆柱涡的脱落，研究结果为控制装置结构的优化提供理论支撑。

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.

關键词：大涡模拟（LES）;升阻力系数;涡脱落频率

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

中图分类号：TE952                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）05-0238-02

0  引言

在理论上，海洋工程中的立管结构可简化为多圆柱排列的圆柱绕流模型。海洋立管尾迹周期性的涡脱落，会使海洋立管受到力的作用而导致损坏，甚至出现石油或燃气泄漏现象，不管在经济方面还是环境方面，均产生损失甚至污染环境。通过控制装置来减少涡脱落现象对立管的受力就很重要，且很有意义。立管圆柱绕流流动控制方面主要从理论研究、实验研究和数值模拟研究三个方面来研究。就目前而言，对圆柱绕流实验研究的方法，特别是对多圆柱绕流实验研究，比较困难，同时也产生很大的经济成本。而很多研究者会使用数值模拟的方法对圆柱绕流进行研究，使用数值模拟方法较多的是基于雷诺平均（RANS）方法和大涡模拟（LES）方法[1]。谢潇潇等[2]采用直接数值模拟方法对雷诺数为100时顶角为15°～165°的三棱柱的二维绕流问题进行了数值模拟研究，发现顶角度数影响三棱柱体受到的时均阻力系数和升力系数。王伟[3]采用非定常数值计算方法，通过构造脊状结构脊状结构对圆柱绕流的控制作用。Grant和Patterson[4]以及Kumar[5]等利用固定整流罩抑制立管的涡脱落，达到了立管阻力和升力的振幅大幅度减小的效果。考虑到来流方向对固定整流罩的影响，谷斐[6]等通过实验研究得出安装旋转整流罩可适应来流方向，同时也能够抑制涡的脱落。谭波[7]对安装固定整流罩不同的顶角角度的隔水管进行数值研究，得出固定整流罩角度？兹设置为60°时，整流罩能很好地控制隔水管的涡激振动。毕贞晓[6]数值模拟了不等直径并列圆柱的间距比（T/D=1.2、1.5、1.8和2.7）对主圆柱的涡脱落影响，发现T/D=1.2时，附属小圆柱能够强烈抑制主圆柱涡的脱落，主圆柱升阻力系数最小。

本文采用Smagorinsky动力亚格子模式的大涡模拟方法，基于FLUENT平台，附加整流罩的单圆柱绕流数值模拟研究的来流条件设置为亚临界雷诺数Re=3900、湍流强度I=5%，并将该数值结果与同等条件下的单圆柱绕流的结果进行比较，发现整流罩能够有效地控制海洋立管的涡脱落，达到减小圆柱体的受力的效果。

1  附加整流罩单圆柱物理模型

毕贞晓[8]已对本次数值模拟研究采用的数值模型及方法通过把时均流速和圆柱表面压力系数两个参数与前人实验研究的结果进行了比较和验证，对比发现时均流速和圆柱表面压力系数两个参数的数值结果和实验结果基本一致，这对本文中所采用的数值模型及方法的可靠性进行验证，本文数值模拟研究中，所安装的附加整流罩的角度设置为75°，附加整流罩单圆柱绕流数值模型的计算区域、网格划分、来流初边值条件以及数值格式等均与单圆柱绕流模型数值研究参数设置一致。图1和图2分别给出了附加整流罩单圆柱绕流网格整体图和附加整流罩单圆柱周围网格的局部放大图。

2  附加整流罩单圆柱绕流的受力分析

图3和图4分别给出了单圆柱和附加整流罩单圆柱阻力系数分布和升力系数比较分布图，单圆柱的时均阻力系数Cd=1.25，附加整流罩的单圆柱时均阻力系数Cd=0.99。根据前期数值模拟结果，未附加整流罩的单圆柱的升力系数的波动范围为±1.1716，而附加整流罩单圆柱的升力系数的波动范围是±0.5321，对比时均阻力系数和升力系数两个参数，发现附加整流罩单圆柱阻力系数减小了20.8%，并且升力系数的波动范围减小了54.5%。这是因为当流体经过附加整流罩单圆柱时，流体在圆柱的垂向作用有效减弱，并且不稳定。整流罩推移了圆柱尾迹的涡脱落产生位置，使得涡脱落的周期延长，整理罩能够改善圆柱的受力特性，进而延长海洋立管的寿命。

3  附加整流罩单圆柱绕流升力功率谱分析

分别对单圆柱的升力系数、附加整流罩单圆柱的升力系数进行快速傅里叶变换（FFT），得出单圆柱的涡脱落频率为7.28Hz，附加整流罩单圆柱的涡脱落频率为7.14Hz。通过对比得出，单圆柱安装整流罩与否对单圆柱的涡脱落频率影响不是很大，但是安装整流罩对减小涡脱落频率的幅值有明显的效果，使得圆柱尾迹涡脱落的运动周期性变得很弱且涡脱落频率的峰值变得很低。这均表明安装整流罩能够达到明显抑制圆柱涡的脱落和减小圆柱涡脱落的周期的效果。

4  结论

本文采用数值模拟的方法对同等条件下的单圆柱绕流和安装顶角为75°的整流罩单圆柱绕流的数值结果进行了对比，发现安装整流罩后单圆柱的涡脱落得到抑制，圆柱的受力情况得到较大改善。数值结果表明，附加整流罩单圆柱的时均阻力系数减小了20.8%，升力系数的波动幅值减小了54.5%。由此得出附加整流罩能够很好地抑制圆柱涡的脱落。本文只考虑了整流罩顶角为75°的情况，后期可研究安装不同角度的整流罩对单圆柱绕流、不等直径串列或并列多圆柱绕流的影响以及其它形状（三棱柱等）的影响。研究结果可为涡脱落控制装置结构的优化提供理论支撑，为延长海洋立管的寿命和海洋环境的保护提供一定的理论价值。

参考文献：

[1]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[2]谢潇潇，及春宁，John Williams.低雷诺数下不同顶角三棱柱体绕流受力和尾涡脱落机制[J].水电能源科学，2018（6）.

[3]王伟，宋保维，毛昭勇，等.脊状结构表面圆柱绕流的流体特性研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），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.隔水管渦激振动抑制装置的流动控制实验研究[D]. 上海：上海交通大学，2012.

[7]谭波.深水隔水管涡激振动控制装置的数值模拟[D].上海：上海交通大学，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）.