考虑雷诺数和形状影响的坝岸根石水平水流拖曳力系数修正

对于水利工程坝岸散抛根石冲揭失稳,水流作用下根石的拖曳力是重要的力学分析参数。该文基于黄河坝岸散抛根石的形状参数特征,利用水槽试验量测球体及不同形状块体受水流作用的水平拖曳力,研究雷诺数、物体形状指标与拖曳力相关关系及变化规律,明确影响因素,率定双因素影响下块体的拖曳力系数函数。结果表明,水下球体或近似球状物体的拖曳力系数,基本不受水流及物体形态影响,拖曳力系数趋于0.40～0.56;有棱角块体的水流拖曳力系数,块体雷诺数小于3×104的影响区域,系数函数呈双曲线趋势变化;块体雷诺数大于3×104的影响区域,迎水面宽高比不大于侧立面长高比,拖曳力系数趋于0.80～0.90,迎水面宽高比大于侧立面长高比,拖曳力系数趋于1.00～1.10。进一步通过试验修正了水流作用下不同形态物体的水平拖曳力系数,提出了块体雷诺数、形状参数双因素影响下物体水平拖曳力系数函数,得到了以不同物体来流方向投影响面积为基准的水平拖曳计算公式,经拟合公式的合理性分析与验证,拖曳力系数拟合优度达到0.90以上,平均相对误差为8.7%;修正后拖曳力平均相对误差仅为7.5%,公式计算效果良好,更准确地反映散抛根石的水下受力特征,为分析水下抛石受水流冲击离散形态提供理论依据。

风暴潮模拟中潮位对风拖曳力系数的影响研究

近年来,应用数值模型模拟台风引起的风暴潮运动越来越普遍,模型中对于风拖曳力系数的确定,一般都从相对风速出发,可引用的公式也较多,但这些公式很少考虑潮位变化对此系数的影响。在强潮河口、海岸海域,潮位变幅大,最高潮位甚至可达风速参考高度(10m)的近一半,如长江口和杭州湾。在数值模拟中不考虑风暴潮和天文潮共同引起的潮位变化,会造成风应力高潮时被低估、低潮时被高估的现象,从而影响风暴潮模拟的精度。为此本文对现有的风拖曳力系数加以改进,提出了考虑潮位影响的风拖曳力系数表达式,并应用于长江口、杭州湾9711号台风风暴潮的模拟中,增水模拟结果得到了明显改善,可进一步推广应用于强潮河口、海岸的风暴潮增水模拟中。

基于不规则钙质砂颗粒发展的拖曳力系数模型及其在细观流固耦合数值模拟中应用

钙质砂广泛分布于我国南海海域,作为岛礁填筑材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达液体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要指标,目前国内外对具有极不规则形状钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。在前期大量钙质砂颗粒沉降试验基础上,建立了能够考虑形状系数的颗粒与液体相互作用拖曳力系数理论公式;在已建立的计算流体动力学-离散元法(CFD-DEM)流固耦合理论框架下,将新发展的拖曳力系数公式嵌入到流固耦合程序中,模拟钙质砂颗粒在液体中沉降过程。通过将模拟结果与室内沉降试验对比,验证了新建立的拖曳力模型及程序实现的准确性。研究结果表明,较CFD-DEM程序中已有的未考虑颗粒形状的拖曳力系数半经验模型,新的拖曳力系数模型能够更准确地模拟不规则颗粒在液体中沉降过程;同时,在数值建模中无需采用异形颗粒即可以反映颗粒形状对拖曳力的影响,这将大大降低数值模拟的计算量,提高计算效率。研究可进一步应用于钙质砂水中堆填后固结沉降以及冲刷等实际工程问题分析中。

考虑钙质砂细观颗粒形状影响的液体拖曳力系数试验

钙质砂作为南海岛礁填筑常用的岩土材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达流体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要参数,目前国内外对钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。首先引入一个修正的三维参数(37)对钙质砂这种天然非规则颗粒材料的形状进行定量描述,然后开展一系列单个钙质砂颗粒在液体中沉降试验,利用高速相机记录颗粒沉降过程,结合图像处理技术获得颗粒沉降平衡速度U_t,进而计算出拖曳力系数C_D和雷诺数Re,最后拟合出包含C_D、Re及(37)三个参数的钙质砂拖曳力系数半经验模型。结果发现,在相同雷诺数条件下钙质砂的形状系数(37)越大,拖曳力系数越小。通过与其他研究结果对比发现,其表面微孔隙越发育,拖曳力系数越小的规律。该模型能够考虑不规则颗粒形状对拖曳力系数的影响,从而提高对土体渗透性预测的精度,对南海岛礁填筑工程中钙质砂固结和沉降的计算也具有重要意义。

考虑偏转角度的钢筋石笼起动流速与拖曳力系数研究

分析了钢筋石笼稳定特性的研究现状,发现现有研究对考虑偏转角度情况下的钢筋石笼的稳定特性的研究较少。针对其不足之处,经受力分析及推导,提出了一种待定拖曳力系数CD的考虑偏转角度的钢筋石笼起动流速计算公式,在此基础上开展了a×a×a、a×a×c、a×b×c三种形状的钢筋石笼起动流速水槽试验和拖曳力系数试验,对考虑偏转角度和雷诺数双因素影响下的待定拖曳力系数进行了公式拟合。试验结果表明:钢筋石笼的偏转角度越大,起动流速越小;钢筋石笼的拖曳力系数处于0.55-0.84之间,拖曳力系数随偏转角度的增大呈先减小后增大的趋势,偏转角度为15°时,拖曳力系数取最小值;钢筋石笼的拖曳力系数随块体雷诺数的增大先增大后逐渐减小。对推导公式进行了试验验证,精度良好,可为钢筋石笼的起动流速计算及拖曳力系数取值提供理论参考。

浮式海洋平台系泊锚链拖曳力系数数值分析与实验研究

该文针对浮式平台系泊锚链,运用物理模型实验测得系泊无挡锚链在不同流态下的拖曳力系数CD,并分析其变化规律。运用CFD的方法,采用湍流模型LES和κ-ωSST,计算系泊无挡锚链的拖曳力系数CD,结合物理实验结果,比较分析得出较为精确的湍流模型。在此基础上,推算了实际海洋工程环境中系泊锚链拖曳力系数随雷诺数与来流方向的变化规律,并给出工程建议。

块石形状尺寸对水平拖曳力系数影响的数值模拟

水平拖曳力系数是研究黄河坝垛水下散抛根石受水流作用的重要力学参数,而水流流速、根石尺寸和根石在水中的仰角对水平拖曳力系数有着不同程度的影响。基于试验数据,应用FLOW-3D数值模拟软件,采用RNGk-ε紊流模型、VOF方法和FAVOR技术模拟水下块体在水流作用下的水平拖曳力。在数值模拟结果验证可靠的前提下,分析块体不同尺寸及其与水流不同夹角对水平拖曳力系数的影响。数值模拟结果表明:当长高比小于等于3.0,水平拖曳力系数随块体长高比增大,先处于波动状态,随后趋于稳定;当长高比大于3.0,水平拖曳力系数随长高比增大而增大;水平拖曳力系数随块体宽高比增大而先增后减,最后保持稳定;水平拖曳力系数随着水流夹角角度增大而先减后增,当夹角为3°时出现最小值。

SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响

本文以荷兰哈灵水道海域为实验区域,通过敏感性实验,研究了在14m/s、31.5m/s和50m/s(分别代表一般大风、强热带风暴和强台风的极端条件)定常风速下SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响程度。结果表明,对于近岸浅水区域(水深小于20m),风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响较小,而且当风速增加到一定程度后,波浪破碎成为影响波高值的主要因素;对于深水区域(水深大于30m),一般大风条件下风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响仍然较小,随着风速的继续增大,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高的影响逐渐显著。对于平均周期,风拖曳力系数计算方案的选择和风速的改变对其影响均较小,而由水深变浅导致的波浪破碎对其影响较为显著。根据敏感性实验结果,本文对SWAN模型中风拖曳力系数计算方案的选择做出如下建议:计算近岸浅水区域风浪场或深水区域一般大风条件风浪场时,其风拖曳力系数可以直接采用模型默认选项;而对于深水区域更大风速条件,可首先采用模型默认选项试算,然后结合当地海域实测波浪资料进行修正。

自升式平台圆柱式桩腿拖曳力系数数值模拟

为得到Morison方程计算桩腿所受拖曳力所需的合理拖曳力系数,利用Fluent对圆柱式桩腿周围的流场进行三维数值模拟,分析来流角、雷诺数和齿条尺寸对拖曳力系数的影响。通过对比数值模拟结果与拖曳水池的试验结果,验证了数值模拟结果的有效性。分析结果表明:来流角和齿条尺寸是影响拖曳力系数的主要因素。当来流角为90°时,桩腿拖曳力系数是光滑圆柱的4.031倍。根据数值模拟结果和试验结果,提出了有利于平台结构优化的拖曳力系数计算公式。

半浸没圆柱拖曳力系数水池试验

为了对海上粘接式输油管设计进行适用性研究,得到其在不同来流速度和浸水深度的拖曳力系数,在拖曳水池中对不同浸水深度的圆柱进行水动力特性试验。使用3种不同直径的圆柱刚性体模拟输油管,以5种不同的拖曳速度对圆柱进行拖曳,针对5种不同的浸水深度,测量圆柱所受到的水动力,雷诺数Re的变化范围为4.6×10^(4)~7.0×10^(5)。试验结果表明:不同浸水深度的拖曳力系数存在较大的差异,对于同一种圆柱,在Re一定的情况下,圆柱的拖曳力系数随着水深逐渐增加。此外试验中还观察到阻力危机现象,这与流场的Re有关,并针对该现象进行分析。试验中得出的拖曳力系数结果对实际工程具有一定的指导意义。

斜置细长圆柱体在平面流场中切向拖曳力系数的试验研究

细长圆柱体,例如动力电缆或通讯电(光)缆,在水中承受拖曳力的计算和分析在工程技术领域受到越来越多的重视.本文以试验的方法寻求确定细长圆柱体在平面流场中所受的切向力计算公式并定量地确定流场中流态与圆柱体斜置角度对切向力的影响,对试验中的一些现象文中也进行了初步探讨性的说明.

规则波作用下刚性植物拖曳力系数实验研究

植物的消波特性能有效防止波浪冲刷所造成的岸线侵蚀。在开展根茎叶共同作用下的刚性植物消波实验的基础上,采用Kobayashi和Dalrymple经验公式计算本实验植物模型的拖曳力系数,探究了拖曳力系数变化规律。通过对比分析两种经验公式计算所得的拖曳力系数,发现采用Kobayashi消波模型对于本实验中刚性植物消波模拟效果更好。根茎叶均在不同程度上对于植物消波特性产生影响。拖曳力系数与邱卡数、雷诺数、厄塞尔数及相对水深之间的关系依赖于植物淹没度。针对包含根茎叶的刚性植物,考虑植物摆动因素,对波能耗散方程中阻力项进行修正,提出改进的消波模型。

床面均匀沙拖曳力及上举力系数的确定

床面泥沙颗粒由于其相对暴露度及外形的不同,即使在同样水流条件下,颗粒附近的水流结构也不相同,进而影响到颗粒的受力不同,主要表现在颗粒拖曳力系数和上举力系数的不同。在白玉川提出的双向相对暴露度概念及拖曳力系数、上举力系数与纵向相对暴露度之间关系的基础上,分析发现,拖曳力系数介于1.00~1.22区间的概率大于92%,平均值为1.11;拖曳力系数与上举力系数比值平均值随沙粒雷诺数变化而变化,但在颗粒雷诺数大于25 000时,拖曳力系数与上举力系数比值平均值趋于常数1.28。将拖曳力系数和上举力系数引用到泥沙起动底流速公式中,得到了散粒体泥沙起动流速公式。实测资料验证表明,起动流速公式与实则资料吻合良好,间接地验证了提出的推移力系数值及上举力系数值是正确的。

风沙流中沙粒拖曳力系数研究

拖曳力系数是计算风沙流中沙粒受空气阻力的重要参数。考虑实际风沙流中沙粒浓度及沙粒形状,利用FLUENT软件首先计算了不同风速下距地表不同高度处两沙粒的拖曳力系数,给出了影响沙粒拖曳力系数的间距范围,然后计算了真实风沙流中不同高度沙粒拖曳力系数。结果表明,给定风速下拖曳力系数随距地面高度的增加先减小后增加,并将沙粒拖曳力系数拟合成距床面高度的函数,该函数与风速有关。

植被弯曲形态对水流的阻力效应研究

植被化生态河道的阻力特性是环境水力学的研究热点之一。为探寻柔性植被不同弯曲倾角下的阻力特性,利用圆柱铝棒进行弯曲模拟柔性植被,并采用测力装置,对不同倾角状态下圆柱铝棒及流速范围开展室内水槽试验,首先研究直立圆柱铝棒阻力与流速之间的关系,得到的拖曳力系数Cd符合已有研究,同时验证了测力装置的可靠性;随后开展不同倾角下的植被阻力试验,得到Vogel数随着倾角的减小呈逐渐降低最后突增的趋势。当植被弯曲时,已有的刚性直立植被丛模型不再适用,通过引入与倾角相关参数Cθ对模型进行修正,显著提高了模拟精准度。研究结果可为生态植被化河道水力学精准模拟提供技术支撑。

旋涡流场中气泡变形对拖曳力系数的影响

采用质点粒子追踪法(Particle tracking method,PTM)可以快速预测气泡在旋涡流场中的运动轨迹,常被用来研究梢涡空化的初生问题。由于PTM方法不考虑气泡在旋涡作用下的变形,得到的轨迹与直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)结果差异较大。基于DNS结果,该文提出了一种修正拖曳力系数的方法,在拖曳力系数经验公式中引入了一个重新定义的Eotvos数Eo^(*)来体现气泡变形的影响。该修正方法在存在明显变形(Eo^(*)>O(1))时能显著改善PTM预测气泡轨迹的效果。

建筑群不均匀性对拖曳力影响的风洞测压实验

针对建筑群不均匀性缺乏系统的研究方法以及多数处于定性研究的现状，从建筑几何结构的形态学角度出发，采用迎风面积指数、平面面积指数、形状指数和综合非直线系数表达建筑群的不均匀性．风洞实验中采用刚性模型测压的方法进行建筑表面压力的测量，并设计了悬浮实验平台直接测量整个区域所受的拖曳力．实验结果表明，分布在较大平面区域内各建筑的单体拖曳力系数沿风向的变化趋势近似为一条热容模式的衰减曲线；利用有代表性的建筑表面压力测量结果求取的整个区域拖曳力系数和基于拖曳力直接测量的拖曳力系数具有相同的趋势，但普遍大10%～20%；对比可知，地面粗糙度改变对模型表面风压差系数的分布影响不显著，综合非直线系数为1.3325的工况较1.1775的工况拖曳力系数减小约17.7%，H型建筑表面风压差系数分布与矩形建筑不同，其对气流的强烈作用造成拖曳力系数约34.6%的增加．

基于CFD的多弹性立管升力与阻力系数研究

基于Ansys11-Cfd软件模拟横向和竖向双立管6倍中心间距下立管的绕流情况,采用o-grid划分方法对立管处进行加密处理,使结果分析更加精确。针对6倍立管中心间距,横向和竖向排列情况,研究立管升力和拖曳力系数的变化,通过分析比较单立管和不同排列方式的双立管的升力和拖曳力系数,发现弹性情况与立管刚性情况存在很大的区别,弹性情况更符合真实情况。

水流作用力垂向变化对块体抛放影响的综合研究

考虑块体在水体中的相对位置,综合研究了不同水深区域内水流作用力系数的变化关系。在自由水表面和河床壁面附近区域,应分别考虑水表面波动和边界层对垂线流速分布的影响,由平均流速计算得出的拖曳力系数与相对位置基本呈递增关系,而上举力系数递减;介于上述区域之间时,近似认为拖曳力系数和上举力系数不随相对位置变化。因此,在受力分析以计算石块或沙袋的抛掷位移时,应考虑水流流动作用力垂向不断变化的特点。

超深水NGH无隔水管取样钻柱非线性静力学分析

绳索式钻探取样系统取样过程中,钻柱受到海流、波浪、岩土、钻井船漂浮及其他载荷因素的影响,其静态特性非常复杂,具有几何非线性与接触非线性的特点。鉴于此,考虑海洋环境载荷及海底岩土等对取样钻柱的作用,建立了完整的取样钻柱力学分析模型,研究取样钻柱非线性静力学特性,分析不同外界因素对取样钻柱静力学特性的影响规律。分析结果表明:超深水天然气水合物取样钻柱等效应力和最大弯矩均位于钻柱顶部迎流处,钻柱的最大弯曲变形发生在其顶端1/3偏下位置;海流流速、拖曳力系数及作业水深的增加均使得钻柱弯矩和弯曲变形增大。研究结果可为无隔水管取样钻柱的受力分析和现场施工提供参考。