振荡绕流的概况和发展

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1、辑第卷第期水动力学研究与进展,,杨人人,年月振荡绕流的概况和发展浦群林同骥中国科学院力学研究所摘要近,在海洋工程发展的推动下,,以波浪和旋涡为特征的水十多年来水力学和流体力学再度结合,。动力学得到了迅猛的发展振荡绕流问题是这一领域中的关键问题之一、。本文对振荡绕流研究的历史应用背景和研究概况作扼要介绍在这基础上给出它的发展方向和前,。沿课题供有关研究参考关健饲振荡流,振荡流的发展,钝体振荡绕流引言。,作,振荡绕流问题早就为流体力学工作者所关注年为非定常平行流的一种基本形式川给出了平行于无限长平板的线性简谐振荡流动的摊方程精确解二十世纪的前六十年,对振荡绕流的研究主要是从边界层的角度进行的,如

2、‘对静止流体中振动柱绕,彭‘“,以流的研究对振荡绕流边界层的研究及等人对简谐非定常边界层的实验研究等等近二十年来,由于现代生产的发展和工程应用的需要,也由于迅速发展的计算力学和实验力学提供了研究手段的可能,使以钝体分离和涡旋运动为主要特征的振荡绕流研究成为现代流体力学发展的一个重要方面。从学科发展的角度看,它也是现代水力学与流体力学深入结合的产物。本文将就振荡绕淤研究背景、概况以及今后的发展作扼要评述二、应用背景振荡流动的应用背景是多方面的,下面主要从当今迅速发展的海洋科学、海上石油平台等海洋工程建设的需要等方面对振荡绕流研究的应用背景作简要介绍海洋科学的崛起人类面临着人口、资源和环境三大基

3、本问题,促使人们去探索宇宙、开发海洋。随着科学和技术的发展,海洋资源的开发取得了迅速的发展。海上石油和天然气的大量开采就是一例年世界海上石油年产量已达七亿吨,约占世界石油总年产量的三分之一。据估计目前世界上已建造一万多座海洋平台,并且越来越向深海发展,如美国墨西哥湾建造的海洋平台,水深达米本文于年月日收至必一一左右。海,上油气开发和海洋工程建设的发展推动了海洋工程力学的建立和发展近二十年来海洋工程力学的重要组成部夯海洋流体力学也迅速形成并发展,它是以波浪和涡旋运动为主要特征的流体力学的一个新的分—支。振荡绕流研究则是海洋流体力学发展的一个重要方面。离岸结构及其荷载海上石油的勘探和开采需要在离

4、岸平台上进行,生产的油气还要靠管道和船舶输运,一系列。。的离岸结构的设计和建造提出大量需要解决的力学问题以下仅以平台为例说明平台是海洋工程的主体,它有多种类型,如重力式平台图、导管架平台图、半潜式平台图和张力腿平台图等等尽管平台的型式多种多样,从整体看都是极其复杂的不规则三维结构,但从图示的典型平台可以看到,平台浸在水中的基本构件、尤其是小尺度构件的基本几何形状多为圆柱形或近圆柱形,此外还有柔性与刚性之分。平台在严峻复杂的海洋环境中工作,承受着各种各样的载荷,上述平台构件所承受的载荷主要来自下列几个方面由波浪、海流和风引起的环境力平台运动产生的力的系泊或定位系统引起的力与平台运转有关的力处在

5、结冰海域的平台还要承受冰载此外还要考虑地,风载一般不超过总震等非常因素的影响在各种载荷中波浪载荷通常是平台的主要载荷环境载荷的,其他载荷也不大,所以平台的安全和性能的决定因素是它对波浪的响应。波浪载荷与振荡绕流上面已提出平台的基本构件,尤其是小尺度构件的主要几何形状为圆柱形或近圆柱形,因此,当研究平台的波浪载荷时,为简单起见,可首先考虑波浪加给直立柱体的载荷。在给定柱体的吃水深度并忽略次要因素下,波浪运动可用二维简谐振荡流来代替,因为简谐之书二嘀麦、丛马乓骊己卜,牙义‘‘‘‘绝目翼剔日不,称刹让丛产翻侣护吕润牢三公思酬眨竺竺竺,亚互三芍甲二资‘函刁丝‘‘石一一一曰‘一一一才「一又区川月卜口闷

6、,矛石户刁又止,尸一气,,习呼聊啊邢赞卿那那红图重力式平台挪威图导管架平台英国一一夕至。图半潜式平台图张力腿平台以英国运动是线化波动理论的一个基本结果。对求解许多波力问题来说,二维振荡流是一个主要步骤,它能把波与结构相互作用的一些基本特性孤立出来。同时,与波浪运动相比,二维简谐振荡在实,。抓验室内较为容易产生一个最常见的例子就是表示波力的方程其中所考虑的就是横向流速和加速度,但该方程没有仔细考虑流场中涡旋的作用,可看作是二维振荡流的初始形式。当然,为了模拟更复杂的波浪运动,还必计及一些附加效应,如垂直方向速度分量的存在、水平速度振幅在垂直方向的变化、线化理论所不能给出的横向高阶简谐运动以及自

7、由表面效应等等。对不同情况,需要计及哪些因素也不相同,。,综上所述可以看到振荡绕流是波载研究的基础和核心部分近二十年来在海洋平台发展需要的推动下,振荡绕流研究进展很快,成为海洋流体力学研究的一个重要方面。另一方面,振荡绕流作为非定常周期运动的一种基本形式,是流体力学的基本问题之一,其研究具有更为普遍的意义。这,我们主要以海洋平台为背景介绍振荡绕流流动。里三、研究概况下面从物理参数、领域划分、单柱平面简谐振荡绕