一种刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型制造技术

本申请提供一种刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型，本模型基于Launder与Sharma的低雷诺数k‑ε(LSKE)湍流模型，参考SST k‑ω湍流模型湍动能生成项的限定方法，对流场近边界区和尾流场的湍动能生成项分别加以限定，同时通过修正函数对流场中不同区域的湍动能生成项和耗散项加以修正，建立了一种适用于亚临界雷诺数范围内刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型。与现有湍流模型相比，该湍流模型在刚性圆柱体涡激振动数值模拟中，在保证计算速度的前提下大幅度地提升了计算精度。

A turbulence model for numerical simulation of vortex induced vibration of rigid cylinder

【技术实现步骤摘要】
一种刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型
本专利技术涉及一种海洋管线涡激振动的数值模型，尤其涉及一种刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型。
技术介绍
在海洋油气开发过程中，海洋管线为连接海面作业平台和海底井口的重要组成部分，通常海洋管线的在位服役期很长，疲劳设计是管线设计的一个重要环节，而涡激振动已被美国API规范和挪威DNV规范认定为引起疲劳破坏的主要因素。由于海洋管线的振动极其复杂，为了更好的理解管线涡激振动问题的本质，数值研究中多简化为刚性圆柱体模型对其振动响应特性进行研究，相关模拟的结果及准确性对管线涡激振动响应的预报起到指导和决定性的作用。洋流流经海洋管道时一般已不是层流状态，预报时必须考虑湍流的影响。目前在刚性圆柱体涡激振动的数值研究中，直接数值模拟(DNS)方法、大涡模拟(LES)方法和分离涡(DES)方法虽然计算精度较高，但需要的计算代价巨大，仅用在较低雷诺数范围内作为试验的补充手段，若要实现广泛的应用还存在巨大的挑战。相比之下，雷诺平均(RANS)方法计算成本很低，在未来很长一段时间内都将是工程中的解决问题的主要数值手段，但其计算精度相对较低，模拟结果存在一定的偏差，这是由于RANS方法中湍流的模拟是通过引入湍流模型实现的，湍流模型的模拟精度对结果的准确性起到决定性的作用。湍流模型存在多种不同的形式，在流体流经圆柱体这类分离流以及强逆压梯度流问题的模拟中，两方程模型具有较好的稳定性，得到较广泛的应用。不同的湍流模型经过适当的修正后可能会大幅改进其精度及延展其适用范围，多年以来研究者通过不同方法对湍流模型加以修正以改善其模拟精度。目前SSTk-ω湍流模型以及Launder与Sharma的低雷诺数k-ε(LSKE)湍流模型的应用较为广泛且模拟结果相对较好的，但仍不能准确的模拟出亚临界雷诺数范围内刚性圆柱体涡激振动特性，且所适用的雷诺数范围也极其有限，其中边界层分离角、St数、升力和阻力系数、迟滞区间、最大振幅以及不同响应分支的范围均存在不同程度的偏差，这是由于近边界区和尾流场湍流粘性系数的过高预报使边界层过早的发生转捩，造成了分离点后移以及升力、阻力系数等参数的偏差，从而对刚性圆柱体涡激振动的模拟结果产生严重的影响。
技术实现思路
为解决上述问题，本申请实施例提供了一种刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型，所述模型适用于亚临界雷诺数范围内；所述模型的输运方程表达式为：其中，为修正后的湍动能生成项，fc和ft为修正函数，k为湍动能，ε1为近壁区域湍流耗散率，ε2为湍流充分发展区域湍流耗散率，ρ为当地流场介质密度，μ为流场介质动力学粘性系数，μt为动力学湍流粘性系数，v流场介质运动学粘性系数，f2，Cε1，Cε2，σk，σε，Cμ为Launder与Sharma的低雷诺数k-ε湍流模型的系数。可选地，其中，τij为流场的剪切应力张量，Ui为流场速度，f1为分区函数，c1、c2为经验参数。可选地，f1＝max(0,Rv-cs)/(Rv-cs+SMALL)其中，cs为经验参数，SMALL为极小值。可选地，f1根据当地黏性比Rv的大小将流场划分为近边界区和尾流场。可选地，所述Rv＝νt/ν。可选地，所述c1取值5，c2取值30，cs取值150。可选地，其中，C3，C4，Cm，Cc为系数，Rv为当地黏性比。可选地，所述Rν＝νt/ν。可选地，ft＝exp(-max(0，fc(Vt-1.23)))其中，Vt为系数。可选地，C3＝0.3，C4＝10，Cm＝3，Cc＝0.1，Vt＝2。有益效果如下：本申请提供的模型基于Launder与Sharma的低雷诺数k-ε(LSKE)湍流模型，参考SSTk-ω湍流模型湍动能生成项的限定方法，对流场近边界区和尾流场的湍动能生成项分别加以限定，同时通过修正函数对流场中不同区域的湍动能生成项和耗散项加以修正，建立了一种适用于亚临界雷诺数范围内刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型。与现有湍流模型相比，该湍流模型在刚性圆柱体涡激振动数值模拟中，在保证计算速度的前提下大幅度地提升了计算精度。附图说明下面将参照附图描述本申请的具体实施例，其中：图1示出了本申请一实施例提供的采用不同湍流模型时刚性圆柱体绕流的相关模拟结果与试验数据对比图；图2示出了本申请一实施例提供的亚临界雷诺数范围内不同分区的典型特征以及采用不同湍流模型时圆柱体周围以及尾流场的湍流粘度系数分布图；图3示出了本申请一实施例提供的103<Re<1.5×104雷诺数范围内采用不同湍流模型时刚性圆柱体涡激振动振幅随约化速度的变化曲线与试验数据的对比图；图4示出了本申请一实施例提供的采用不同湍流模型时刚性圆柱体涡激振动升力和阻力系数随约化速度的变化曲线与试验数据的对比图；图5示出了本申请一实施例提供的采用MLSKE湍流模型时对应不同响应分支的尾涡脱落模式图；图6示出了本申请一实施例提供的104<Re<6.0×104雷诺数范围内采用不同湍流模型时刚性圆柱体涡激振动振幅随约化速度的变化曲线与试验数据的对比图。具体实施方式针对现有湍流模型在亚临界雷诺数范围内刚性圆柱体涡激振动模拟中存在模拟精度差和适用范围有限的问题，本申请提供一种刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型，该模型为一种适用于亚临界雷诺数范围内刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型，主要用于海洋管线简化刚性圆柱体模型的数值模拟研究。本模型通过流场中近边界区和尾流场湍动能生成项和耗散项的修正，建立一种适用于亚临界雷诺数范围内刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型，更加精确地模拟出刚性圆柱体涡激振动响应特性，以指导海洋管线涡激振动响应的预报。本申请的刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型，基于Launder与Sharma的低雷诺数k-ε(LSKE)湍流模型，参照SSTk-ω湍流模型中通过耗散项限定湍动能生成项的方法，对近边界区和尾流场的湍动能生成项加以限定，降低湍流粘度系数的预报，修正边界层的分离。f1＝max(0,Rv-cs)/(Rv-cs+SMALL)为修正后的湍动能生成项，τij为流场的剪切应力张量，Ui为流场速度，f1为分区函数，根据当地黏性比Rv的大小将流场划分为近边界区和尾流场，当地黏性比Rv＝vt/ν，c1、c2和cs为经验参数，其中c1取值5，c2取值30，cs取值150，SMALL为极小值。考虑黏性比对转捩带来的影响，基于当地黏性比构造湍动能生成项和耗散项的修正函数fc和ft，以延缓边界层转捩的发生。ft＝exp(-max(0，fc(Vt-1.23)))其中C3＝0.3，C4＝10，Cm＝3，Cc＝0.1，Vt＝2。综合上述修正建立一种适用于亚临界雷诺数范围内刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型，其输运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型，其特征在于，所述模型适用于亚临界雷诺数范围内；/n所述模型的输运方程表达式为：/n

【技术特征摘要】
1.一种刚性圆柱体涡激振动数值模拟的湍流模型，其特征在于，所述模型适用于亚临界雷诺数范围内；
所述模型的输运方程表达式为：









其中，为修正后的湍动能生成项，fc和ft为修正函数，k为湍动能，ε1为近壁区域湍流耗散率，ε2为湍流充分发展区域湍流耗散率，ρ为当地流场介质密度，μ为流场介质动力学粘性系数，μt为动力学湍流粘性系数，v流场介质运动学粘性系数，f2，Cε1，Cε2，σk，σε，Cμ为Launder与Sharma的低雷诺数k-ε湍流模型的系数。


2.根据权利要求1所述的模型，其特征在于，



其中，τij为流场的剪切应力张量，Ui为流场速度，f1为分区函数，c1、c2为经验参数。


3.根据权利要求2所述的模型，其特征在于：
f1＝max(0，Rv-cs)/(Rv-cs+SMALL)
其中，cs为...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟云贺，
申请(专利权)人：北京电子工程总体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11