基于OpenFOAM的负载与洋流相互作用数值仿真

• 作 者: 陈文姝
• 机 构: 山东大学
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 海上起重机 OpenFOAM 洋流 数值模型 缆绳约束

随着海洋强国政策的加快推进,海底油气、矿产资源的勘探、开发等工作需要使用海洋工程设备,用于在海洋环境中进行水下生产设备安装的深海起重机是深水海洋工程的关键装备。当深海起重机下放负载至水下时,负载在洋流的作用下,会产生一系列非期望的运动,进而导致钢缆绳索断裂,造成作业设备损坏,引起重大事故,甚至造成人员伤亡。为了安全有效地完成深海起重机在洋流中的起重作业,建模计算并分析负载在洋流作用下的运动响应和受力特性尤为重要,本文针对在具有一定流速的水下环境中如何确保负载物体下落过程的安全性,研究了负载在洋流中的受力、位置与速度的变化情况,本文的主要工作如下:首先,为了研究负载与洋流的相互作用,本文基于开源计算流体力学软件OpenFOAM建立了二维数值模型。为了验证当前模型的计算准确性,计算了放置在均匀流场中的水平圆柱受到的流场作用力,得到了圆柱绕流的升力系数、阻力系数和压力系数等数据,并将实验结果与已经发表的文献进行了比较,验证了数值模型的准确性。在此基础上,进一步仿真得到了不同雷诺数下的二维圆柱绕流速度场和压力场的云图,研究发现圆柱绕流的升力和阻力系数的振荡规律与云图中的圆柱尾部漩涡脱落的规律具有一致性。然后,为了进一步研究圆柱绕流的三维特性,将上述建立的二维数值模型拓展到三维。在三维数值模型中分别计算了固定竖直圆柱和固定倾斜圆柱在匀速流场中的压力系数,通过对圆柱所受的压力系数进行分析,总结了有限长度三维圆柱沿圆柱轴线方向不同位置的受力规律。通过修改网格,将竖直圆柱修改为倾斜圆柱,研究了倾斜圆柱在匀速流场上、下游的水动力变化情况,这些数据可用于预测洋流中倾斜姿态圆柱形负载的运动情况。最后,在上述数值模型的基础上,针对深海起重机下放负载至洋流过程中的安全问题,提出了一种运动的圆柱与洋流相互作用的数值模型,模型中考虑了重力和洋流的作用,并添加了缆绳约束。首先在未考虑流体速度情况下,模拟计算了圆柱在重力作用下的运动响应,并与已发表文献的数据进行了对比验证;然后将洋流加入到数值模型中,计算得到了洋流和重力共同作用下圆柱的运动响应数据,研究发现,水流速度是影响圆柱水平运动的主要因素;最后,从深海起重作业工程实际出发,同时考虑重力、洋流和缆绳的作用进行模拟计算,得到了圆柱密度、洋流速度和缆绳长度这些因素对圆柱在不同方向上的运动情况的影响,研究发现,在缆绳约束作用下,由于缆绳的牵引作用,水流可导致圆柱在竖直方向发生位移,圆柱会由于洋流速度和圆柱密度的影响出现静止或升降运动。本文基于OpenFOAM提出了一种负载与洋流的相互作用的数值模型,得到的数值结果对起重机在洋流中吊放负载的安全工作提供了数据指导,也为以后OpenFOAM在起重机负载的水动力性能分析方面更为深入的应用提供参考。