恒定流速下三角型沟槽隔水管减阻性能的仿真分析

目的为了提高隔水管的使用寿命和保障深水钻井的安全性,在只考虑同一流速下的海流力、不同沟槽的布置对隔水管受力影响的工况下,利用织构减阻的原理,将三角型沟槽织构引入隔水管表面来起到降低隔水管绕流阻力的作用。方法采用大涡数值模拟,建立三角沟槽织构隔水管力学模型,在恒定流速下开展三角型沟槽深度和宽度几何参数对隔水管升阻力系数、速度场分布、压力系数分布、涡量分布影响规律的仿真分析,并与光滑隔水管的速度场分布、压力系数分布、速度矢量场分布进行对比。结果在南海恒定平均流速0.3 m/s的模拟工况下,当三角型沟槽织构沟槽个数为32时,沟槽织构隔水管的升阻力系数均小于光滑隔水管,起到了减阻抑升的作用,且在深度为0.14 mm、宽度为1.96 mm的条件下,隔水管的阻力系数降低了65.02%,升力系数均方根降低了78.3%,减阻效果最佳。结论建立了一套恒定流速下三角型沟槽隔水管绕流减阻优化设计与评价的新方法,为利用三角型沟槽织构改善隔水管的疲劳失效、提升其使用寿命提供了理论参考。

波浪形圆柱的气动力特性试验研究

斜拉索的风荷载和风致振动问题突出,探索能够减阻抑振的新型斜拉索意义重大。研究表明,波浪形圆柱在Re=10~3~10~4有减阻抑振效果,而真实斜拉索的雷诺数通常在10~5量级,有必要研究波浪形圆柱在高雷诺数下的气动性能。以特定几何参数的波浪形圆柱为研究对象,通过风洞试验方法,研究了波浪形圆柱在Re=1.4×10^(5)~4.0×10^(5)的气动力变化规律。研究结果表明:与等截面圆柱相比,波浪形圆柱的整体阻力系数更大,当Re=1.4×10^(5)~3.6×10^(5)约大4%~8%,当Re=3.6×10^(5)~4.0×10^(5)约大47%;在临界区,波浪形圆柱的阻力系数没有出现从预临界区(TrBL0)至单分离泡区(TrBL1)转变过程中的阻力大幅下降的现象,而是随着雷诺数的增大,呈稳定不变的趋势;整体升力系数在整个试验雷诺数范围内始终约为0;展向不同位置的阻力系数、升力系数和风压分布随雷诺数的变化规律表现出差异性,这主要是由于波浪形圆柱的三维几何特性导致的。

O型套环对圆柱结构气动力和干索驰振影响的试验

圆柱类结构在土木工程领域应用十分广泛,其风荷载和风致振动一直是研究和设计十分关注的问题。根据圆柱结构风致振动的机理,提出了O型套环这种被动式的三维气动措施,并对其减阻抑振效果进行了全面研究。通过风洞内的天平测力和干索驰振试验,研究了O型套环的几何参数(间距、宽度和厚度)对气动力和干索驰振的影响规律,并对减阻抑振机理进行了分析。研究结果表明:同标准圆柱类似,套环圆柱的平均阻力系数和雷诺数密切相关;当雷诺数小于3.0×10^(5)时,套环圆柱的平均阻力系数小于标准圆柱的结果,最大减阻率为29.5%;当雷诺数大于3.0×10^(5)时,套环圆柱的平均阻力系数大于标准圆柱的结果,最大增阻率为36.4%;标准圆柱和套环圆柱均会在高风速区间发生干索驰振,套环间距越小、宽度越大、厚度越小,对干索驰振的抑制效果越好;在亚临界区,套环圆柱可以减小阻力,原因是圆柱安装套环后,尾流宽度变窄,旋涡形成区变长,流场呈现三维特征;在临界区,套环圆柱会增大阻力,一定程度上可将套环视为对流场的扰动,加剧层流向湍流的转捩;套环圆柱对干索驰振的抑制和加剧与套环圆柱在临界区增阻的机理相似。