文档介绍：第 11 卷第 11 期中国水运
2011 年 11 月 China Water Transport November 2011
弹性立管数值模拟技术综述
林洪庭 1,陈正寿 1,熊丛博 2
(1 浙江海洋学院,浙江舟山 316000;2 国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛 266061)

摘要:立管系统是浮式海洋生产平台的关键组成部分。海流经过立管产生的泻涡诱发交变的流体力,在一定条件
下,将使弹性立管振动加剧,甚至出现“锁振”现象。作为物理模型试验的重要补充,弹性立管流固耦合过程的数
值模拟逐渐被人们所重视,其仿真技术成为海洋工程界的热点和难点。文中对与弹性立管相关的数值仿真技术、流
固耦合方法和仿真计算的关键技术进行探讨,综述当下流行的弹性立管数值仿真的技术要点和发展方向。
关键词:弹性立管;流固耦合;湍流模型;数值模拟
中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1006-7973(2011)11-0098-04

一、引言供丰富的湍流模型,对于不同的仿真实例需要选择不同的湍
putational Fluid Dynamics,简称流模型。在很多工程实例中,数值模拟的准确程度严重依赖
CFD)是流体力学研究领域中的重要分支之一,其基本思路为于湍流模型的选择。精准的湍流模型自然对计算机硬件性能
使用数值方法和现代计算机技术对流体力学的控制方程进行求和网格密度提出更高的要求,当前的计算机硬件水平还不足
解,从而达到模拟预测流场的目的。近年来,伴随着计算机运以使这些湍流模型得到广泛应用;基于雷诺时均法的湍流模
行速度和存储能力的大幅提高,计算机软件水平的突飞猛进, 型,虽然计算速度很快,但是很难准确给出尾涡的泻涡发放
以计算流体力学为代表的数值模拟技术,在航空、气象、海洋、形态。因此在湍流模型的选择上还需兼顾计算能力和计算速
流体机械、建筑和汽车工业等领域中发挥了越来越重要的作用。度。常见的湍流模型主要有:
虽说目前在精度和效率方面,CFD 还没有完全达到可以直接满(1)直接数值模拟(DNS)
足船舶与海洋工程领域实际应用需求的程度,不过在替代物理牛顿流体的湍流运动能够用粘性流的 N-S 方程组来描
模型试验、模拟尾流形态等方面已取得了不少成果。述,这一观点已被广泛的认可。用 DNS 技术求解 N-S 方程
二、CFD 数值模拟技术组是一种理想且精确的方法。然而直接求解 N-S 方程组是非
,所以通常用两种办法对湍流进行模拟,即对 N-S
按照所使用湍流模型的不同,可以将涡激振动的数值模方程组进行雷诺平均和滤波处理。
拟方法分为:直接数值模拟方法、雷诺平均 N-S 方程法、大(2) 非定常雷诺时均法(URANS)
涡模拟法、涡元法,还有基于上述各种方法的综合。按照模圆柱体周围的泻涡发放和涡激振动的数值模拟需要使用
拟方式的不同又可以分为:基于弹性支撑的刚体二维模拟、瞬态湍流模型。目前,比较实用的有非定常 RANS 方法
基于弹性体二维涡元模拟和三维结构插值积分的离散涡元法(URANS)、大涡模拟(LES) 、分离涡模拟(DES)和
模拟[1]以及对于弹性体完全使用三维模型