用大涡模拟计算流致振动的流体激励力

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新风机出风口减噪结构的优化设计

新风机出风口减噪结构的优化设计摘要：通过CFD技术，我们研究了三种不同的新型风口结构，并发现了一种能够降低噪声的方案。

我们发现，采用圆形螺旋式的风口，能够达到较高的降噪性能。

此外，我们还通过模拟计算发现，除了风机本身，所有的测量点都处于0~250Hz的高频，因此，我们建议将一种能够降低低频噪声的隔音材料安装在新型风机的内部。

经过基频检查，我们发现这种模型是有效的。

新风机出风口噪声问题一直是建筑环境中的重要难题之一。

对新风机出风口减噪结构进行优化设计的研究意义在于，可以有效地降低室内噪声，提高建筑环境的舒适度和品质，同时也能够提高建筑能源利用效率，实现可持续发展。

此外，新风机出风口减噪结构的研究还有助于推动建筑节能减排、绿色环保等方面的发展，具有重要的实际应用价值和社会意义。

关键词：住宅新风机；圆形螺旋风口；声压分布；数值模拟前言现在，由于人们越来越关注室内环境的健康，新型的空调系统正在越来越多地被广泛应用。

然而，这些系统的工作噪音会严重干扰人的日常工作。

这些噪音可能来自于风扇的转速、电机的电磁波和振荡等因素。

随着人们生活水平的不断提高和环保意识的增强，新型住宅的建设成为了现代社会中不可或缺的一部分。

然而，在现代住宅中，封闭式建筑使得室内空气质量难以得到有效保障，而新风系统的普及和使用成为了解决这一问题的重要手段。

但是，由于新风系统在排风过程中会产生噪音，给人们带来一定的困扰和影响生活质量，因此减少新风系统产生的噪音已成为研究的热点。

本文通过数值模拟，我们发现三种不同的送风口结构，即圆形、圆形螺旋和矩形，能够有效地降低设备的空调系统的气动噪音。

通过这些发现，我们可以找到更加经济实惠的送风口，从而使得整个系统更加安静、舒适。

1数值计算模型的建立根据图1，为了更好地展现新风机送风仓体的结构，我们使用了SolidWorks软件进行建模和设计。

首先，我们绘制了送风仓体的壁面结构，包括壁板、支撑和进风口等部分。

海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正

第24卷第12期 V ol.24 No.12 工程力学 2007年 12 月 Dec. 2007 ENGINEERING MECHANICS153———————————————收稿日期：2006-03-25：修改日期：2006-07-16基金项目：国家自然科学重点基金资助项目(50639030)；教育部博士点基金资助项目(20050423002)作者简介：*黄维平(1954)，男，浙江人，教授，博士，博导，主要从事海洋工程研究(E-mail: wphuang@)；王爱群(1955)，男，山东人，教授，学士，主要从事水利学试验研究(E-mail: ghaq@)；李华军(1962)，男，山东人，教授，博士，博导，院长，主要从事海洋工程研究(E-mail: huajun@).文章编号：1000-4750(2007)12-0153-05海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正*黄维平，王爱群，李华军(中国海洋大学海岸与海洋工程研究所，青岛 266071)摘要：对输送液体的模型管道进行了涡激振动试验研究，试验结果表明：当理论涡脱频率与管道的固有频率不一致时，作用在振荡管道上的涡激力并非简谐扰力，而是具有一定带宽的窄带随机扰力。

因此，管道的涡激振动响应也是一个随机过程。

当理论涡脱频率与管道的固有频率接近时，管道的涡激振动响应逼近简谐振动。

试验结果也表明：作用在振荡圆柱体上的涡激力频率不仅是流速和圆柱体直径的函数，也是圆柱体固有频率的函数。

关键词：海底管道；涡致振动；试验研究；斯特罗哈频率；涡激升力中图分类号：TU311.3 文献标识码：AEXPERIMENTAL STUDY ON VIV OF SPAN OF SUBSEA PIPELINEAND IMPROVED MODEL OF LIFT FORCE*HUANG Wei-ping , WANG Ai-qun , LI Hua-jun(Institute of Coastal and Offshore Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266071, China)Abstract: Tests for the vortex-induced vibration (VIV) of the models of subsea pipeline with internal flow have been carried out. The results show that if there is a big difference between vortex shedding frequency and natural frequency of cylinder, the lift force acting on oscillating cylinder is a stochastic force with narrow bandwidth and if there is a little difference between them, the response of models is periodic oscillation. It is also revealed that the frequency of vortex shedding on oscillating cylinder will change with not only the velocity of fluid and the diameter of the cylinder, but also natural frequency of the cylinder.Key words: subsea pipeline; VIV; experimental study; Strouhal frequency; lift force浅海石油开发中，由于海底冲刷而导致海底管道出现悬空现象常常困扰油田的安全生产，悬跨段的流致涡激振动将引起管道的疲劳破坏。

涡激振动的力学原理

涡激振动的力学原理涡激振动是指在流体中发生的一种特殊的振动现象，它的产生是由于流体中涡旋的运动引起的。

涡激振动在工程领域中经常出现，对结构和设备的振动响应、疲劳寿命和安全性能等产生重要影响。

因此，深入理解涡激振动的力学原理对于工程设计和结构疲劳分析具有重要的意义。

涡激振动的力学原理可以从流体动力学的角度进行解释和理解。

在流体中，涡旋是流体的高速旋转区域，其附近压力较低，速度较高。

涡旋的大小和形状取决于流体流动的速度、粘度和直径等因素。

在流体中存在涡旋时，流体会在涡旋周围产生压力和摩擦力。

当涡旋的大小和形状发生变化时，压力和摩擦力的作用会导致结构和设备发生振动。

涡激振动的产生原因主要有两方面：一是涡旋大小和形状的变化引起的压力和摩擦力的变化；二是涡旋与结构或设备之间的相互作用。

首先，涡旋大小和形状的变化会引起压力和摩擦力的变化。

涡旋的变化可以通过两种方式进行，即由于流体速度的变化或由于流体粘度和直径的变化。

当流体速度增大或减小时，涡旋的大小和形状也会相应变化。

在涡旋附近，流体速度的变化会引起压力和摩擦力的变化，从而导致结构和设备发生振动。

其次，涡旋与结构或设备之间的相互作用也会引起振动。

当涡旋与结构或设备相互作用时，会产生压力和摩擦力，从而使结构或设备发生振动。

涡激振动的产生与涡旋的频率、幅值和方向等相关，而这些因素又与流体速度、涡旋的大小和形状等因素密切相关。

涡激振动的发生在许多工程实践中都有所体现，例如，在桥梁、建筑物和石油平台的设计中，涡激振动会导致结构的疲劳破坏和振动响应增加，从而影响结构的安全性能和使用寿命。

因此，在工程设计和结构疲劳分析中，需要考虑涡激振动的力学原理，以减小涡激振动对结构和设备的影响。

综上所述，涡激振动是由于流体中涡旋的运动引起的一种特殊的振动现象。

其产生是由于涡旋大小和形状的变化引起的压力和摩擦力变化，以及涡旋与结构或设备之间的相互作用所导致的。

深入理解涡激振动的力学原理对于工程设计和结构疲劳分析具有重要的意义。

科学网大涡模拟

科学网大涡模拟大涡模拟（LES）基本思想是：紊流的流动是由许多大小不同尺度的旋涡组成，大尺度的涡对平均流动影响较大，各种变量的紊流扩散、热量、质量和能量的交换以及雷诺应力的产生都是通过大尺度的涡来实现的，而小尺度的涡主要对耗散起作用，通过耗散脉动来影响各种变量。

因而大涡模拟是把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度涡和小尺度涡两部分，大尺度涡通过N-S方程直接求解，小尺度涡通过亚网格尺度模型，建立与大尺度涡的关系对其进行模拟。

数值实验证明雷诺时均方法在模拟复杂流动现象如涡脱落、浮力影响、流线弯曲、旋转和压缩运动时会遇到难以克服的困难，对台阶后回流长度的预测总是偏大等，而LES在复杂流动的模拟中可以得到很多雷诺时均方法无法获得的紊流运动的细微结构和流动图像。

与雷诺平均模型相比，大涡数值模拟的亚格子模型具有较大的普适性。

湍流大涡数值模拟方法中需要封闭的量是亚格子应力，它和大尺度脉动的相关微弱。

亚格子应力是不可解小尺度脉动和可解尺度之间的动量交换，它和强烈依赖于流动边界的大尺度脉动相关性很小，因此合理的亚格子模型将有较大的普适性。

湍流大涡数值模拟可以获得流动的动态特性，而雷诺平均模型只能提供定常的气动力特性。

湍流大涡数值模拟的解包含大于过滤尺度的所有脉动，由此可以获得速度谱以及气动力谱等,这些动态气动力特性对于近代航天器设计是十分重要的。

说一下对壁面的模拟，如果选的网格尺度较小，可以模拟出壁面涡的生成，目前国内对LES研究较多的是清华和南航，我试了我们这儿仅两个cpu的服务器就能算200万的网格。

这儿向大家推荐一篇文章，可能有人已经看过，我相信不管大家做哪个方向，只要是做湍流，或多或少都有收获，张兆顺在第六届流体力学大会上做的报告－－走近湍流。

FLUENT大涡模拟的相关知识用N-S方程描述大涡，用亚格子尺度模型描述小涡耗散和对大涡的反馈，通过在N-S方程中加入附加应力（亚格子应力）表示；大涡模拟的过程：先把小尺度脉动用滤波的方式过滤，得到大尺度运动的控制方程（滤波后的），再向方程中引入亚格子尺度附加应力项。

CFD中的LES大涡模拟

CFD中的LES⼤涡模拟1引⾔湍流运动是⽬前计算流体⼒学中困难最多因此也最活跃的领域之⼀。

当湍流存在，则住在其他相关的流动现象，并引致能量耗散、混合以及传热。

没有三维的涡，则没有真正的湍流，因为只有在三维的流动中，涡旋才能进⾏伸展并产⽣新的涡旋。

⽬前可采⽤的数值计算⽅法分为三类：直接模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）、⼤涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）和雷诺时均法（Reynolds-averaged Navier–Stokes，RANS）。

RANS经过长期的发展，已经⾮常成熟。

但RANS通过将速度进⾏平均后，并不能捕获湍流中的⼩涡结构。

同时，这些⼩涡基本是各项同性的。

另⼀⽅⾯，从主流中抽取能量的⼤涡却是各向异性，并且其和计算域的⼏何、边界、体积⼒⾼度关联。

在使⽤RANS的时候，整个流场中必须使⽤同⼀个湍流模型对各种尺度下的湍流进⾏解析，但通常⼤涡和⼩涡的表现是不同的。

因此研究学者对⼀种更完善的模型进⾏了探索。

不同于RANS，LES对⼤涡进⾏解析的同时对⼩涡进⾏模化。

LES认为⼤涡直接受边界条件的影响因此对其解析，但⼩涡是各项同性的因此他们表现相同，可以进⾏模化。

由于LES把⼩涡进⾏了模化，因此最⼩的⽹格单元需要⼤于Kolmogorov尺度（最⼩的涡旋尺度）。

同时LES的时间步可以⽐DNS⼤的多。

因此，对于给定的计算资源，相对于DNS，LES可以计算更⼤雷诺数的算例。

另外，不同于RANS中平均的概念，LES使⽤的是⼀种空间滤波技术。

LES模型的概念如下：1⾸先要确定⼀种滤波函数和截⽌尺度Δ。

这样，就可以对所有⼤于截⽌尺度的涡进⾏⾮稳态计算；2使⽤滤波函数对依时变量进⾏空间滤波操作，在这⼀步，⼩于截⽌尺度的涡被过滤掉；3在解析⼤涡和模化⼩涡的数学操作中，会产⽣⼀个亚格⼦尺度应⼒项（Sub-grid-scale Stress，SGS），亚格⼦尺度应⼒需要通过SGS模型来模化；在LES中，截⽌尺度Δ是⽤来表明“多⼤的涡才算⼤涡”的概念。

大型客机复杂可压缩流的大涡模拟主要研究方法

大型客机复杂可压缩流的大涡模拟主要研究方法一、大涡模拟基础1. 大涡模拟简介大涡模拟是一种将流场分解成小尺度湍流和大尺度湍流的方法。

在LES中，大尺度结构通过直接数值模拟来求解，而小尺度结构则通过子网格模型（sub-grid model）进行建模。

由于小尺度结构不再需要直接求解，因此可以使用更粗的网格来进行计算，从而减少计算量。

同时，LES还能够提供更加真实的湍流统计数据，如湍流强度、湍流长度等。

2. LES的优点和局限性与其他流体力学方法相比，LES有以下几个优点：（1）能够考虑湍流中的时间和空间尺度差异，提供更加真实的湍流信息；（2）计算结果对于网格的依赖性相对较小，使得计算可以在较粗的网格上进行；（3）LES能够模拟复杂流场，如湍流燃烧、多相流等。

虽然LES具有很多优点，但它也有一些局限性：（1）计算量较大，需要使用高性能计算机进行计算；（2）由于需要建立子网格模型，LES的结果可能受到模型误差的影响；（3）由于直接数值模拟只考虑了大尺度结构，因此对于小尺度结构的预测可能存在误差。

二、大涡模拟在大型客机流场研究中的应用1. 大涡模拟在飞行器气动力学研究中的应用大型客机的外形复杂，流场也非常复杂。

对于这样的流场，传统的计算流体力学方法可能无法准确地预测气动力学行为。

因此，大涡模拟成为研究大型客机流场的一种重要方法。

在大涡模拟中，通过将流场分解成大尺度结构和小尺度结构，可以更加准确地模拟大型客机流场中的湍流现象。

大涡模拟还能够提供更加真实的气动力学数据，如升阻比、气动力矩等。

这些数据对于飞机设计和优化非常重要。

2. 大涡模拟在飞行器噪声研究中的应用随着人们对噪声污染的关注度不断提高，飞机噪声研究也越来越受到关注。

大型客机飞行时产生的噪声主要来自于引擎和机翼表面的湍流。

由于湍流现象非常复杂，传统的计算流体力学方法无法准确地预测噪声的产生和传播。

因此，大涡模拟成为研究飞机噪声的一种重要方法。

通过大涡模拟，可以更加准确地模拟湍流现象，从而预测噪声的产生和传播方式。

计算流体力学论文

自然环境和工程装置中的流动常常是湍流流动，模拟任何实际过程首先遇到的就是湍流问题，而湍流问题本身又是流体力学理论上的难题。

对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态的三维N-S 方程的全模拟方法，此时无需引进任何模型。

然而由于计算方法及计算机运算水平的限制，该种方法不易实现。

另一种要求稍低的方法是亚网格尺寸度模拟即大涡模拟（LES ），也是由N-S 方程出发，其网格尺寸比湍流尺度大，可以模拟湍流发展过程的一些细节，但由于计算量仍然很大，只能模拟一些简单的情况，直接应用于实际的工程问题也存在很多问值题[1]。

目前数模拟主要有三种方法：1.平均N-S 方程的求解，2.大涡模拟（LES ），3.直接数值模拟（DNS ），而模拟的前提是建立合适的湍流模型。

2、基本湍流模型常用的湍流模型有：零方程模型：C-S 模型，由Cebeci-Smith 给出；B-L 模型，由Baldwin-Lomax 给出。

一方程模型：来源由两种，一种从经验和量纲分析出发，针对简单流动逐步发展起来，如Spalart-Allmaras(S-A)模型；另一种由二方程模型简化而来，如Baldwin-Barth(B-B)模型。

二方程模型：应用比较广泛的两方程模型有Jones 与Launder 提出的标准k-e 模型，以及k-omega 模型。

2.1 零方程模型上世纪30年代发展的一系列湍流的半经验理论，如Prandtl 的混合长度理论、Taylor 的涡量输运理论、von Karman 的相似性理论等，本质上即是零方程湍流模型。

零方程模型直接建立雷诺应力与平均速度之间的代数关系，由于不涉及代数关系故称为另方程模型：''m u u v yρρε∂-=∂ 其中m ε称为涡粘系数，他与分子的运动粘性系数ν有相同的量级。

对于一般的三维的情况，上式可写为：''223i j m ij ij u v S K ρεδ-=- K 为单位质量的湍流脉动动能。

大涡模拟

扬州大学
大涡模拟理论及应用
紊流力学

大涡模拟理论及应用
一、概述
实际水利工程中的水流流动几乎都是湍流。湍流是空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动，这种运动表现出非常复杂的流动状态，是流体力学中有名的难题。100 多年来无数科学家投身到它的研究当中，从 1883 年 Reynolds 开始的层流过渡到湍流的著名圆管实验到现在，对湍流的基础理论研究呈现出多个分支，其主要方向有：湍流稳定性理沦、湍流统计理论、湍流模式理论、湍流实验、切变湍流的逆序结构、湍流的大涡模拟和湍流的直接数值模拟。在这些方向当中，比较有代表性的是湍流模式理论。但它的平均运算却将脉动运动的全部行为细节一律抹平，丢失了包含在脉动运动中的大量有重要意义的信息，而且各种湍流模型都有一定的局限性、对经验数据非常依赖、预报程度较差。近代计算机技术的飞速发展给人们提供了解决湍流问题的新途径，公认比较有前途的是大涡模拟和直接数值模拟。但由于受到计算机速度和容量的限制，直接数值模拟还仅限于低雷诺数的流动，对于高雷诺数的完全数值模拟目前还不可能。而大涡模拟是介于直接数值模拟和湍流模式理论之间的折衷物，由于其具有较少的计算消耗和较高的计算精度，正显示出越来越强的生命力。
d d 32 ( Sij Sij ) µt = ρ Ls d d 54 ( Sij Sij )5 2 + (Sij Sij )
2
d 其中： Ls 和 Sij 在 WALE 模型中分别定义如下：
Ls = min(kd , CωV 1 3 )
∂ui 1 2 1 d 2 Sij = ( gij + g2 ji ) − δ ij g kk , g ij = 2 3 ∂x j
在 FLUENT 中，默认的 WALE 常数 Cω 是 0.325，发现将它用于流量范围跨度大的地方能取的很满意的效果。其余符号的含义与 Smagorinsky-Lilly 模型相同。结合这个，WALE 模型返回了正确的壁墙界流动的渐进行为。（4）动态动能亚网格模型原来的和动态的 Smagorinsky-Lilly 模型，如前所述，本质上是代数模型，在这里亚格子尺度应力已经参数化应用解析的尺度。其基本假设是平衡通过电网过滤器能量传递的规模和小亚网格尺度耗散的动能，亚网格尺度湍流能够较好的模拟亚格子尺度湍流动能的输送。在 FLUENT 中，动态亚格子尺度动能模型引用了 Kim 和 Menon 的模型。亚网格尺度动能定义如下：

大涡模拟的原理

大涡模拟的原理
大涡模拟（LES）是一种计算流体力学（CFD）方法，用于模拟流动中的大尺度涡旋行为。

相比于传统的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法，LES可以更准确地捕捉流动中的湍流结构。

LES将流动场分解
为大尺度涡旋和小尺度涡旋，大尺度涡旋被直接模拟，而小尺度涡旋则被认为是一种随机噪声，并通过子网格模型（SGS）计算。

LES方法的基本原理是通过在时间和空间上对流场进行分解，将大尺度的湍流结构通过直接数值模拟（DNS）进行计算，而小尺度的
结构则通过SGS模型计算。

LES方法在时间上的分解通常采用滤波器方法，通过对流场进行滤波来分离大尺度结构和小尺度结构。

在空间上的分解通常采用泰勒级数展开，将流场分解为平均流量和流量扰动。

LES方法的优点是可以提供更准确的流场预测，适用于需要对湍流结构进行精细分析的复杂流动问题。

同时，LES方法也存在一些挑战，如计算成本高和需要更高的计算资源等问题。

因此，LES方法通常适用于高性能计算领域和需要进行高精度模拟的工程和科学研究
领域。

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大涡模拟的原理

大涡模拟的原理大涡模拟（LargeEddySimulation，LES）是一种计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法，其原理是将一些较大的涡旋（即大涡）直接模拟，而将较小的涡旋（即小涡）视为无规则的湍流运动，采用统计方法进行计算。

大涡模拟通常是用于解决高雷诺数（即湍流）流动问题的一种方法，因为在这种情况下，小涡流动的运动和相互作用变得非常复杂。

大涡模拟可以提供比传统雷诺平均 Navier-Stokes（RANS）模拟更准确的结果，但需要更高的计算能力。

大涡模拟的基本原理是使用Navier-Stokes方程，将它们分解成大涡和小涡两部分。

大涡部分的运动由一个格子大小相当于大涡尺度的网格解决，而小涡部分的运动则由一个更小的网格解决。

这个方法对小涡流动的运动和相互作用进行了统计分析，而对大涡部分的运动则直接模拟。

这种模拟方法使得模拟的精度得到了提高，因为大涡更好地反映了流动的物理特性。

大涡模拟的优点在于可以模拟大涡和小涡之间的相互作用和转移，从而更好地反映真实流动的情况。

同时，大涡模拟所需要的计算资源相对于直接模拟湍流的方法要少一些，因为小涡部分的流动采用统计方法进行计算。

然而，大涡模拟也有一些缺点。

首先，它需要更高的计算能力，因为需要更小的网格来模拟小涡运动。

其次，大涡模拟也需要更多的物理数据，如湍流尺度，以确定如何分解Navier-Stokes方程。

总体而言，大涡模拟是一种非常有用的计算流体力学方法，可以用于解决高雷诺数流动问题。

它比传统的雷诺平均 Navier-Stokes 方法更准确，但计算成本更高。

因此，大涡模拟通常在计算资源充足的情况下使用，以获得更准确的结果。

大涡模拟

大涡模拟,英文简称LES(Large eddy simulation),是近几十年才发展起来的一个流体力学中重要的数值模拟研究方法。

它区别于直接数值模拟(DNS)和雷诺平均(RANS)方法。

其基本思想是通过精确求解某个尺度以上所有湍流尺度的运动，从而能够捕捉到RANS方法所无能为力的许多非稳态，非平衡过程中出现的大尺度效应和拟序结构，同时又克服了直接数值模拟由于需要求解所有湍流尺度而带来的巨大计算开销的问题，因而被认为是最具有潜力的湍流数值模拟发展方向。

由于计算耗费依然很大，目前大涡模拟还无法在工程上广泛应用，但是大涡模拟技术对于研究许多流动机理问题提供了更为可靠的手段，可为流动控制提供理论基础，并可为工程上广泛应用的RANS方法改进提供指导。

大涡模拟方法其主要思想是大涡结构（又称拟序结构）受流场影响较大，小尺度涡则可以认为是各向同性的，因而可以将大涡计算与小涡计算分开处理，并用统一的模型计算小涡。

在这个思想下，大涡模拟通过滤波处理，首先将小于某个尺度的旋涡从流场中过滤掉，只计算大涡，然后通过求解附加方程得到小涡的解。

过滤尺度一般就取为网格尺度。

显然这种方法比直接求解RANS 方程和DNS 方程效率更高，消耗系统资源更少，但却比湍流模型方法更精确。

大涡模拟的基本操作就是低通滤波。

一个LES滤波器可以被用在时空场Φ（x,t）中实现时间滤波或空间滤波或时空滤波扬州大学大涡模拟理论及应用紊流力学大涡模拟理论及应用一、概述实际水利工程中的水流流动几乎都是湍流。

湍流是空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动，这种运动表现出非常复杂的流动状态，是流体力学中有名的难题。

100 多年来无数科学家投身到它的研究当中，从1883 年Reynolds 开始的层流过渡到湍流的著名圆管实验到现在，对湍流的基础理论研究呈现出多个分支，其主要方向有：湍流稳定性理沦、湍流统计理论、湍流模式理论、湍流实验、切变湍流的逆序结构、湍流的大涡模拟和湍流的直接数值模拟。

大涡模拟简单介绍

大涡模拟简单介绍大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）是一种流体动力学数值模拟方法，用于模拟湍流流动。

相比于传统的雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）模拟方法，LES可以更准确地捕捉流动中的湍流结构和湍流涡旋，并且消除了能量储存和耗散的子网格模型假设。

LES的基本原理是在Navier-Stokes方程的基础上，通过滤波器将流动变量划分为长时间和空间尺度下的平均分量和湍流分量。

经过充分滤波的方程组被认为是LES方程组，其中长时间和空间尺度下的平均分量由RANS求解，湍流分量则采用直接数值模拟（DNS）或者更为常见的子网格模型进行近似。

LES方程组通常采用基于物理的平滑学习系数（Smagorinsky模型）或者基于数值的子网格尺度计算方法来估计湍流涡旋的剪切应力。

与传统的RANS模拟相比，LES能够提供更多细节的湍流结构信息，从而更好地预测湍流流动中的流场特性，比如涡旋结构、湍流能量传递、湍流耗散等。

这些信息对于工程问题的分析和设计有着重要的意义，比如风力发电机翼型的气动性能、船舶外形的水动力性能等。

LES的优势主要体现在以下几个方面：1.湍流结构预测能力：LES可以更准确地模拟湍流结构，包括涡旋的生成、演化和消散过程，因此能够提供更详尽的湍流流场信息。

2.湍流能量传递和耗散特性：LES能够有效地预测湍流能量的传递和耗散特性，对于评估流动中的湍流耗散和能量损失有着重要的意义。

3.均匀流动和非均匀流动的统一模拟：与传统的RANS方法相比，LES对均匀流动和非均匀流动有着较好的统一模拟能力。

对于非均匀流动，LES能够更好地预测局部湍流结构的分布和演化。

4.对涡旋缩放和旋转的准确模拟：LES能够模拟涡旋的缩放和旋转过程，能够提供更真实的细节湍流结构信息。

尽管LES在提供细节湍流结构信息方面具有优势，但其计算成本较高，主要体现在网格分辨率和时间步长上。

由于需要考虑到湍流结构的空间和时间变化，LES所需的网格分辨率通常较高，这对计算资源的要求较高。

大涡模拟在计算反应堆吊篮流体激励力中的应用

过滤器，其中高斯过滤比较常见。小尺度涡用亚格子应力模型进行模拟，ｍａｏｉｓｙ型是比较Ｓｇｒｋ模ｎ常见的亚格子应力模型ｌ。１】
、
方面数值计算方法的发展，已足以直接求解ＮＳ．方程。目前已有研究机构利用极细密的网格直接
式，：＋Ｉ变量为中ｌ为张；克应，
ｆｌ／
隆内耳系数；Ｃ为涡粘系数；ｒ为亚格子应力，。控制方程中经过滤后产生的代表小尺度涡的一
项。
精细种比较有潜力的数值方法。本文应用大涡模拟模型来计算秦山核电站２１：模型期５
值和实验值保持在同一个量级。关键词：大涡模拟；反应堆吊篮；流体激励力；ＣＸＦ
中图分类号：０５．３１２文献标识码：Ａ
１前言反应堆吊篮是堆内构件之一，受到一回路的
冷却剂的冲刷时会发生振动，严重时会导致结构疲劳损伤或连接件松动脱落，造成事故，危及反应堆的安全。研究表明，堆内构件的流体激励力主要是湍流引起的，从原则上说，求解湍流问题并无理论上的困难。因为，一方面描述湍流运动的精确的微分方程已经得出，即ＮＳ．方程；另一
收稿日期：２０－５２；修回日期：２０・８２０７０－１０７０・２
Ｓａｏｎｋｍｇｒｓｙ模型是涡粘形式，Ｃ对计算ｉ其Ｓ
的耗散影响很大，根据不同问题需要对Ｃ进行试。
探直到求得合适的结果，这也是大涡模拟的一大
维普资讯
影响；同时研究了流速对压力的影响以及压力沿空间的分布。结果表明，随着Ｓｇｒｓｙ系数增大，所得ｍａｏｉｋｎ

大涡模拟fluent动量格式

大涡模拟fluent动量格式（原创版）目录1.大涡模拟的概述2.Fluent 软件的介绍3.大涡模拟中的动量格式4.动量格式在大涡模拟中的应用5.结论正文一、大涡模拟的概述大涡模拟是一种用于研究流体运动的数值方法，它通过将流体运动方程进行离散化处理，利用计算机求解得到流场各个点的流速、压力等物理量。

大涡模拟可以分为欧拉模型和雷诺模型两大类，其中欧拉模型主要包括大涡模拟（LES）和小涡模拟（SGS），而雷诺模型则包括雷诺平均 N-S 方程（RANS）和大涡模拟（LES）等。

二、Fluent 软件的介绍Fluent 是一款基于计算流体力学（CFD）的商业软件，广泛应用于工程领域中流体流动、传热和化学反应等过程的数值模拟。

Fluent 软件采用欧拉模型进行大涡模拟，可以模拟流场中的湍流现象，得到较为准确的流体动力学特性。

三、大涡模拟中的动量格式在大涡模拟中，动量格式是用于描述流体运动方程中动量守恒定律的数学表达式。

动量格式包括分子宏观平均速度、湍流宏观平均速度和湍流微观速度等物理量。

在 Fluent 软件中，动量格式采用欧拉模型进行离散化处理，可以模拟流场中的湍流现象。

四、动量格式在大涡模拟中的应用动量格式在大涡模拟中的应用主要体现在以下几个方面：1.湍流运动的模拟：动量格式可以描述流场中湍流运动的宏观和微观特征，从而模拟出流场中的湍流现象。

2.湍流能量的传递：动量格式可以计算流场中湍流能量的传递过程，从而得到流场中湍流能量的分布特征。

3.流场中物体的受力分析：动量格式可以用于计算流场中物体的受力分析，从而得到物体在流场中的受力特性。

五、结论大涡模拟是一种重要的流体运动数值方法，Fluent 软件作为一款基于计算流体力学的商业软件，可以采用欧拉模型进行大涡模拟，模拟流场中的湍流现象。

海洋立管的涡激振动模型预测方法

海洋立管的涡激振动模型预测方法引言海洋立管是一种在海洋工程中常用的结构物，其长期受到海洋环境的侵蚀和作用力的影响。

其中，涡激振动是海洋立管的一个重要问题，容易引起海洋立管的疲劳破坏和结构变形，甚至导致结构崩塌。

因此，预测和分析海洋立管的涡激振动是非常必要的。

本文主要介绍海洋立管涡激振动的模型预测方法，包括流场模型、振动模型和耦合模型。

流场模型用于描述海洋环境中的流动特性，振动模型用于描述海洋立管的自然振动特性，耦合模型用于描述流场和振动场的相互作用。

一、流场模型为了预测海洋立管的涡激振动，首先需要建立流场模型，即对流体流动进行数学建模和仿真。

常用的流体力学方法包括雷诺平均法（RANS）、剪切层模型和大涡模拟（LES）。

其中，RANS方法是最常用的方法，通过求解雷诺平均动量方程和湍动能方程，模拟流体的平均运动特性。

剪切层模型则是针对流体在边界层中的特性进行建模。

而LES则是一种直接模拟涡旋尺度以上的湍动结构的方法，适用于较为复杂的流动问题。

通过这些流场模型，可以得到海洋立管附近的流场特性，为后续的振动模型提供基础数据。

二、振动模型振动模型用于描述海洋立管的固有振动特性，一般可以采用有限元方法进行建模。

有限元方法通过将结构离散为多个小单元，然后再对每个小单元进行有限元分析，求解振动特征，得到结构的模态频率和振型。

对于海洋立管的涡激振动问题，除静态荷载外，还需要考虑动态激励荷载，即流场引起的涡激力。

为了准确地预测涡激振动，通常需要在分析中考虑流场引起的激励荷载和流固耦合效应。

对于复杂的涡激振动问题，还可以采用计算流体力学方法进行振动模态的预测。

这种方法将流场模型和振动模型耦合起来，同时求解动力学方程和雷诺平均动量方程，综合考虑流固耦合效应。

通过计算流体力学方法，可以得到海洋立管在流场中的振动特性，包括振动频率、振型和应力分布等。

三、耦合模型耦合模型用于描述流场和振动场的相互作用，即流固耦合效应。

对于海洋立管的涡激振动，主要考虑涡激力对海洋立管的激励作用，以及海洋立管受到的振动响应对流场的反作用。

211247582_四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟

第４５卷第３期２０２３年５月沈　阳　工　业　大　学　学　报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ４５Ｎｏ３Ｍａｙ２０２３收稿日期：２０２２－０３－２１．基金项目：国家自然科学基金项目（５１９０８１０７）；国家级大学生创新创业训练计划项目（２０２１１０２２５０３５）．作者简介：辛大波（１９７８－），男，黑龙江克东人，教授，博士，主要从事结构风效应流动控制等方面的研究．ｄｏｉ：１０．７６８８／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１６４６．２０２３．０３．１１四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟辛大波１，李佳宇１，张洪福１，薛志成２，王　健１（１东北林业大学土木工程学院，哈尔滨１５００４０；２广东石油化工学院建筑工程学院，广东茂名５２５０００）摘　要：为了掌握小型风力机尾流特征，并实现其尾流快速模拟，以小型四叶片水平轴风力机为研究对象，采用大涡模拟（ＬＥＳ）研究了其尾流时空分布特征，提出了基于致动盘模型（ＡＤ）的风力机尾流的快速模拟方法．结果表明，小型四叶片水平轴风力机尾流较复杂，尾流区存在多种类型的涡结构，导致尾流存在严重速度亏损，湍流度剖面出现两个峰值，利用致动盘模型可以准确地计算风力机尾流的速度亏损，实现风力机尾涡动力行为的快速模拟．关　键　词：水平轴风力机；大涡模拟；快速模拟；尾流；涡结构；致动盘；尾流亏损；湍流度中图分类号：ＴＫ８１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－１６４６（２０２３）０３－０３０６－０７ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｍａｌｌｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｆｏｕｒｂｌａｄｅｓＸＩＮＤａｂｏ１，ＬＩＪｉａｙｕ１，ＺＨＡＮＧＨｏｎｇｆｕ１，ＸＵＥＺｈｉｃｈｅｎｇ２，ＷＡＮＧＪｉａｎ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａｏｍｉｎｇ５２５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｍａｌｌｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｒｅａｌｉｚｅｉｔｓｆａｓｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｓｍａｌｌｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｆｏｕｒｂｌａｄｅｓｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔ．Ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＬＥＳ）ｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｓｐａｃｉａｌｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｔｓｗａｋｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ａｆａｓｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃ（ＡＤ）ｍｏｄｅｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｗａｋｅｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｔｙｐｅｓｏｆｖｏｒｔｅｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｈｅｗａｋｅ．Ａｓｅｖｅｒｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｅｆｉｃｉｔａｎｄｔｗｏｐｅａｋｖａｌｕｅｓａｒｅａｌｓｏｏｂｓｅｒｖｅｄｆｏｒｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｐｒｏｆｉｌｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｂｙｅｍｐｌｏｙｉｎｇｔｈｅＡＤｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｗａｋｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｅｆｉｃｉｔｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｃａｎｂｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆａｓｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｆｏｒｗａｋｅｖｏｒｔｅｘ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆａｓｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｗａｋｅ；ｖｏｒｔｅｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃ；ｖｅｌｏｃｉｔｙｄｅｆｉｃｉｔ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ风能是一种清洁、丰富的可再生资源，在全球变暖和资源枯竭的背景下，风力发电变得越来越重要．在实际工程中，风力机总是在某一风能资源丰富的区域分布式排列．当来流风受到上游风力机的干扰作用时，风速降低，脉动成分增强，将严重影响下游风力机的性能，主要体现在两个方面：１）上游尾流区域的速度损失降低了下游风力机的输出功率；２）尾流区域的高湍流会导致下游风力机的动态负荷增加，影响风力机的使用寿命．因此，研究风力机尾流特征对于有效收集风能以及保证风力机的结构安全至关重要．目前，针对风力机尾流的研究主要有两种方法：风洞试验和数值模拟．风洞试验可以准确地获得速度损失和尾流湍流特性［１－３］．但由于实验室尺寸条件的限制，只能开展风力机近尾流区域的流动特性的相关研究，对远尾流区域的速度损失和湍流特性的研究鲜有文献报道．与风洞试验相比，基于计算流体动力学（ＣＦＤ）的数值模拟方法［４－６］不受Copyright ©博看网. All Rights Reserved.尺寸的影响，且可同时获取全区域的速度场分布，发展潜力巨大．Ｓｅｄａｇｈａｔｉｚａｄｅｈ等［７］研究了ＬＥＳ数值模拟方法在风力机流场分析方面的可行性，结果表明，ＬＥＳ可以精确地模拟风力机尾流特征；ＨｏｒｎｓｈｊＭｌｌｅｒ等［８］采用ＣＦＤ方法精确地模拟了风力机尾流速度亏损和湍流强度；Ｍｏ等［９］结合大涡模拟研究了风力机尾流特性，指出５倍风力机直径是近、远尾流的分界线，且风速越大，近尾流区的长度越长．尽管ＣＦＤ方法广泛用于预测风力机的空气动力学性能及风力机尾流特征的研究中，但由于高精度的模拟需要解析风力机叶片的边界层特征，计算时间长并且成本较高［１０］．鉴于此，众多学者提出了无需实体风力机的致动盘ＣＦＤ源项模型［１１－１２］．Ａｍｉｎｉ等［１３］使用致动盘方法对风力机的三维修正空气动力系数进行了数值模拟；任会来等［１４］针对现有致动盘模型高估尾流速度的问题，对动量源项进行修正，以正确反映风轮对来流的作用，结果表明，对耗散率源项进行修正可以提高模拟的精度并且可以准确模拟不同风力机排列方式下的尾流特征；刘鑫等［１５］将ＣＦＤ与致动盘方法相结合，研究了风力机尾流发展特点，验证了该方法可以精准模拟风力机尾流．目前，风力机尾流的相关研究主要集中在大型风力机上，而很少关注小型风力机设备．由于小型风力机可以从低风速中获取风能，在城市市区、乡村近郊区等低风速区域逐渐被广泛使用．此外，当小型水平轴风力机在工作状态时，叶片旋转会产生顺流向涡．该类型涡结构已被证实可有效抑制大跨建筑、大跨桥梁风效应，提高工程结构抗风能力．本课题组采用风洞试验验证了小型水平轴叶片对于抑制大跨桥梁主梁涡激振动的有效性［１６］．基于此，本文以四叶片小型水平轴风力发电机为研究对象，建立真实风力机的全三维模型，并采用大涡模拟研究该风力机的近、远尾流定量化特征，提出能够进行快速计算的风力机尾涡致动盘模型，通过风洞试验验证数值模拟与模型的准确性．１　致动盘模型和数值模拟方法１１　致动盘模型风力机的扫掠范围是圆形的，可将风力机简化为一个圆柱形的致动盘模型．当风通过风轮时风速会减小，风力机后面的压力阶梯发生变化，理论示意图如图１所示．假设来流速度为ｖ０，根据风轮机的阻力系数，可以得到轴向力［１７］为Ｔ＝１２ρ０ＣＴｖ２０（１）式中：ρ０为空气密度，ρ０＝１２２５ｋｇ／ｍ３；ＣＴ为阻力系数．应用于ＡＤ模型的单位体积源项的表达式为Ｓ＝ρ０ＣＴｖ２０２Δｘ　（２）式中，Δｘ为致动盘厚度，Δｘ＝０２ｍ．图１　一维动量理论示意图Ｆｉｇ１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｍｅｎｔｕｍｔｈｅｏｒｙ１２　数值模拟方法大涡模拟方法可直接求解大尺度湍流，对于小尺度湍流，仅利用模型考虑其对大尺度运动的作用，而不直接进行求解．因此，ＬＥＳ需对ＮＳ方程进行空间过滤，过滤后的连续性方程和ＮＳ方程表达式［７］为 ρ ｔ＋ｘｉ（ρ珔ｕｉ）＝０　（３）ｔ（ρ珔ｕｉ）＋ｘｊ（ρ珔ｕｉ珔ｕｊ）＝－珔ｐｘｉ＋ σｉｊｘｊ－ τｉｊｘｊ（４）式中：珔ｕｉ（ｊ）为Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向的速度，ｉ、ｊ＝１，２，３分别对应着Ｘ、Ｙ、Ｚ方向；ｔ为时间；ρ为流体密度；ｐ为流体压力；σｉｊ为由分子黏度引起的应力张量，其表达式为σｉｊ＝μ珔ｕｉｘｉ＋珔ｕｊｘ()[]ｉ－２３μ 珔ｕｉｘｉδｉｊ　（５）其中：μ为动力黏度；δｉｊ为克罗内克符号，当ｉ＝ｊ时δｉｊ＝１，ｉ≠ｊ时δｉｊ＝０．τｉｊ为亚格子应力（ｓｕｂｇｒｉｄｓｃａｌｅｓｔｒｅｅｓｅ，简称ＳＧＳ应力），体现了小尺度涡的运动对所求解运动方程的影响，定义为τｉｊ＝ρｕｉｕｊ－ρ珔ｕｉ珔ｕｊ　（６）本文采用工程中常用的ＳｍａｇｏｒｉｎｓｋｙＬｉｌｌｙ亚格子模型，计算亚格子应力最常用的方法是利用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ涡粘假设［１８］．将τｉｊ表示为正应力与偏向应力，即τｉｊ＝２ｖｔ珔Ｓｉｊ－１３珔τｋｋδｉｊ　（７）式中：珔Ｓｉｊ＝１２珔ｕｉｘｊ＋珔ｕｊｘ()ｉ为应变率张量；ｖｔ为湍流粘度；珋τｋｋ为正应力．７０３第３期辛大波，等：四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟Copyright ©博看网. All Rights Reserved.将正应力和亚格子动能ｋＳＧＳ联系起来，ｋＳＧＳ＝１２τｋｋ，则有１３δｉｊτｋｋ＝２３１２τ()ｋｋδｉｊ＝２３ｋＳＧＳδｉｊ　（８）亚格子应力表示为τｉｊ＝－２ξＳＧＳ珔Ｓｉｊ＋２３ｋＳＧＳδｉｊ　（９）式中，ξＳＧＳ为亚格子尺度粘度，在Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模型中，其表达式为ξＳＧＳ＝ρＣｋΔｋ槡ＳＧＳ　（１０）将式（１０）代入式（９），则有ｋＳＧＳ＝２ＣｋＣｅΔ２珔Ｓ２ｉｊ　（１１）式中：Ｃｋ、Ｃｅ为Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模型无量纲系数，Ｃｋ＝００６７６，Ｃｅ＝０９３；Δ为滤波器过滤尺度．Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模式是根据唯象论推出的剪切湍流亚格子模型，该模型概念简单、易于实施，在风力机模拟中应用较为广泛［１８］．故本文采用工程中常见的ＳｍａｇｏｒｉｎｓｋｙＬｉｌｌｙ亚格子模型．２　模型建立及网格划分本文以四叶片小型水平轴风力机为研究对象，重点研究该风力机叶片的尾流特征，仅对风力机叶片（忽略轮毂影响）进行三维建模及数值模拟分析．尖速比是影响风力机气动特性的关键参数，其表达式为λ＝ωＲｖ０（１２）式中：ω为角速度；Ｒ为叶片的半径．本文中风力机尖速比取为３０，则风力机叶片的角速度为５０ｒａｄ／ｓ．风力机的尺寸和形状如图２所示（单位：ｍ）．图３　计算域示意图Ｆｉｇ３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎ图４　网格划分示意图Ｆｉｇ４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅｓｈｄｉｖｉｓｉｏｎ３　模拟验证在来流风速为１０ｍ／ｓ、风机转速为５０ｒａｄ／ｓ时，选取三种不同网格数量的模型进行网格无关８０３沈　阳　工　业　大　学　学　报第４５卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.性验证．网格数分别为２７５万、４８１万和６４３万，以风力机扭矩系数Ｃｍ验证网格无关性，结果如表１所示．综合考虑计算效率和成本，本文最终选用４８１万的网格模型进行分析．表１　网格无关性验证Ｔａｂ１　Ｍｅｓｈｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ编号网格数量尖速比扭矩系数Ｃｍ１２７５万３０００４４２４８１万３０００４８３６４３万３０００４９验证试验在东北林业大学风洞实验室中进行，风洞试验段截面为０８ｍ×１０ｍ，长度为５ｍ，风速范围为２～５０ｍ／ｓ，自由湍流强度小于０５％．为了满足阻塞率的要求，风力机叶片缩尺比为１∶６７，风力机叶片直径为１８ｃｍ．风力机尾流测试装置及结果分别如图５～６所示，试验结果与模拟结果基本吻合．图６中，Ｙ／Ｄ为风力机位置的相对高度，ｖ／ｖ０为轴向速度的无量纲量．图５　风力机尾流测试布置图Ｆｉｇ５　Ｌａｙｏｕｔｏｆｗａｋｅｔｅｓｔｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ图６　风速变化图Ｆｉｇ６　Ｗｉｎｄｓｐｅｅｄｖａｒｉａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｓ４　结果与分析４１　尾流速度分布和涡结构图７为涡结构示意图．由图７可知，叶片旋转区域的流动结构比较复杂，包括叶尖涡、附着涡和中心涡，其中，叶尖涡流发生在叶片的顶端，并且随着风力机的旋转逐渐减少，旋转方向与叶片的旋转方向相反，同时不断向下游移动．附着涡是在叶片表面形成并附着在叶片上的涡结构，在边缘逐渐脱落．由叶片根部和轮毂产生的中心涡以螺旋状轨迹从轮毂中心向下游扩散，在８Ｄ位置后完全消失．图８为瞬态轴向涡量云图．从图８中可以看出，风力机后方沿Ｚ方向有明显的涡量分布．在Ｚ／Ｄ＝１时可清晰识别出尾涡结构，随着距离的增加，涡结构逐渐分解（对称性消失）．图７　涡结构示意图Ｆｉｇ７　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｖｏｒｔｅｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图８　瞬态轴向涡量云图Ｆｉｇ８　Ｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔａｘｉａｌｖｏｒｔｉｃｉｔｙ图９为风力机尾流的轴向速度亏损分布．随着叶尖涡旋的发展，尾流速度逐渐降低，之后随着涡旋消失，尾流速度逐渐增加．图１０为叶片后方典型位置的风速．由图１０可以看出，在叶片后方，分布基本上是轴对称的，由于叶片上游的风速下降，下游的尾流能量减少．随着尾流涡旋的消失，速度逐渐增大．在Ｚ／Ｄ＝８之后，随着下游距离的增加，速度亏损减少，横截面积扩大，尾流宽度相应增加．９０３第３期辛大波，等：四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图９　尾流轴向速度分布Ｆｉｇ９　Ａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗａｋｅ图１０　尾流速度分布Ｆｉｇ１０　Ｗａｋｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ４２　轴向速度分布图１１为致动盘模型轴向速度分布．在－２０＜Ｙ／Ｄ＜２０叶片和致动盘上下游垂直方向－１＜Ｚ／Ｄ＜１０的多个位置提取数值，通过比较－１Ｄ、１Ｄ、３Ｄ、５Ｄ、８Ｄ和１０Ｄ（Ｄ＝１２ｍ）距离处的速度截面亏损值，得出尾流速度分布规律．与Ｊｉｍéｎｅｚ等［１９］研究的三叶片风力机相比，在近尾流区域，四叶片风力机首先达到最低值，且该值低于三叶片模拟值，但在远尾流（Ｚ／Ｄ＞５）风速亏损值比较接近，这表明四叶片风力机在风环境改善和结构风振控制中更具有优势．从图１１中可以看出，风力机从来流中提取能量后恢复过程所造成的速度损失在－０５＜Ｙ／Ｄ＜０５区域的速度曲线近似对称分布．在风力机上游位置Ｚ／Ｄ＝－１时，无量纲速度基本等于１．当来流风通过风力机时，在叶片后产生明显的速度损失区，在Ｚ／Ｄ＝１处，轴向速度值减少了约９５％，且尾流宽度略大于叶片直径，这说明在近尾流区域，尾流的扩散并不明显；随着叶片后方距离的增加，轴向速度逐渐恢复，当Ｚ／Ｄ＝５时，轴向速度恢复到来流风速的５０％左右，由此可以看出５Ｄ距离对下游风力机的影响．随着风力机后方距离的增加，轴向速度曲线的形状变得平坦并逐渐恢复．当Ｚ／Ｄ＞８时，尾流效应仍然存在，但不明显，轴向速度基本恢复到了来流风速的９５％以上，随着尾流的速度逐渐恢复至来流风速，尾流完全扩散．图１１　致动盘模型轴向速度分布Ｆｉｇ１１　ＡｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＡＤｍｏｄｅｌ在致动盘的近尾流区域，特别是在尾流最低风速下的中心区域，速度亏损有很大不同．在Ｚ／Ｄ＝１处，致动盘将叶片组合成一个简化的圆盘，忽略了叶片的旋转效应，致动盘的扰动效应使风速达到最低值，亏损最大．在Ｚ／Ｄ＝３处，速度恢复至４０％，但风力机尾流速度却没有发生变化，这说明风力机对尾流的干扰作用比致动盘更明显．而在远处的尾流区域（Ｚ／Ｄ＞５），由于流场的变化主要取决于自身的发展，两者结果基本一致．综上所述，致动盘对近尾流区域的速度有较大影响，在远尾流区域几乎吻合，因此可以模拟四叶片风力机的尾流分布．０１３沈　阳　工　业　大　学　学　报第４５卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.４３　湍流强度分布图１２为在－２０＜Ｙ／Ｄ＜２０区域的湍流强度曲线．湍流强度表达式为ＴＩ＝ｕ′Ｕ　（１３）式中：ｕ′为脉动风速；Ｕ为平均风速．图１２　湍流强度分布Ｆｉｇ１２　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ根据Ｃｈａｍｏｒｒｏ等［２０］的研究，低湍流强度的来流风通过旋转的风力机时，湍流强度将在尾流中明显增加．从图１２中可以看出，在Ｚ／Ｄ＝－１处，湍流强度保持在００１左右．然而，在Ｚ／Ｄ＝１处，湍流强度最大值达到了０３且有两个湍流强度峰值．在Ｚ／Ｄ＝３处，也可观察到两个湍流强度峰值，最大值约为入流湍流强度的３０倍，达到了０３６．当Ｚ／Ｄ＞５时，叶尖附近区域的湍流强度峰值开始消失．此外，在Ｚ／Ｄ＜３的近尾流区域，湍流强度值随着与风力机后部距离的增加而逐渐增大，可以看出，当风场中相邻风力机之间的距离小于３Ｄ时，计算风力机功率时必须考虑湍流对风力机输出的影响；在远尾流区域，由于尾流的不稳定性，尾流的流动结构在Ｚ／Ｄ＝３以后的区域不断波动，当Ｚ／Ｄ＞５时，湍流强度在湍流扰动造成的速度损失恢复过程中开始迅速降低，最终在Ｚ／Ｄ＝１０处，最大湍流强度降至０１８．５　结　论本文以四叶片小型水平轴风力机为研究对象，采用致动盘源项模型并结合大涡模拟获取风力机尾流涡特征．主要结论如下：１）大涡模拟可以较为准确地获得四叶片风力机的尾流分布，无叶片实物的致动盘模型可以有效预测尾流流速的亏损过程，大大减少计算资源．２）四叶片小型水平轴风力机在尾流区域有明显速度亏损，与三叶片风力机不同的是，在近尾流区四叶片风力机首先达到最低值，且该值低于三叶片风力机．对于湍流度，在近尾流区出现了两个湍流强度峰值，远尾流区湍流度逐渐减小．３）四叶片小型风力机在工作时，叶片旋转区域的流动结构比较复杂，在近尾流区的涡结构主要为叶尖涡与附着涡，而远尾流区只有中心涡．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］ＷｕＹＴ，ＬｉｎＣＹ，ＨｓｕＣＭ．Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆａｓｍａｌｌｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｐｓｐｅｅｄｒａｔｉｏｓ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｉｅｓ，２０２０，１３（８）：２１１３．［２］ＤｏｕＢＺ，ＧｕａｌａＭ，ＬｅｉＬＰ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｗａｋｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｓｍａｌｌｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｎａｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０１９，１６６：８１９－８３３．［３］ＷａｎｇＺＹ，ＯｚｂａｙＡ，ＴｉａｎＷ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｎｄｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｄｕａｌｒｏｔｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０１８，１４７：９４－１０９．［４］ＣｈａｎｐｒａｓｅｒｔＷ，ＳｈａｒｍａＲＮ，ＣａｔｅｒＪＥ，ｅｔａｌ．Ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄｉｎｇａｎｄｙａｗｄｙｎａｍｉｃｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｗａｋｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０２２，１９０：２０８－２２２．［５］ＺｈｕＸＣ，ＳｕｎＣ，ＯｕｙａｎｇＨ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｏｗｅｒｓａｎｄｎａｃｅｌｌｅｓｏｎｔｈｅｎｅａｒｗａｋｅｏｆａｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０２２，２３８：１－１４．［６］芦红莉．基于计算流体方法对建筑物风场分布［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２０１９，４１（２）：２３６－２４０．（ＬＵＨｏｎｇｌｉ．Ｗｉｎｄｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１９，４１（２）：２３６－２４０．）［７］ＳｅｄａｇｈａｔｉｚａｄｅｈＮ，ＡｒｊｏｍａｎｄｉＭ，ＫｅｌｓｏＲ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｕｓｉｎｇｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０１８，１１５：１１６６－１１７６．１１３第３期辛大波，等：四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟Copyright ©博看网. All Rights Reserved.［８］ＨｏｒｎｓｈｊＭｌｌｅｒＳＤ，ＮｉｅｌｓｅｎＰＤ，ＦｏｒｏｏｇｈｉＰ，ｅｔａｌ．ＱｕａｎｔｉｆｙｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｉｎＲｅｙｎｏｌｄｓａｖｅｒａｇｅｄＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｓ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０２１，１６４：１５５０－１５５８．［９］ＭｏＪＯ，ＣｈｏｕｄｈｒｙＡ，ＡｒｊｏｍａｎｄｉＭ，ｅｔａｌ．Ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｉｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，２０１３，１１２：１１－２４．［１０］ＹａｎｇＨ，ＳｈｅｎＷＺ，ＸｕＨＲ，ｅｔａｌ．ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｙｕｓｉｎｇＢＥＭｗｉｔｈａｉｒｆｏｉｌｄａｔａｅｘｔｒａｃｔｅｄｆｒｏｍＣＦＤ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０１４，７０：１０７－１１５．［１１］ＢｅｈｒｏｕｚｉｆａｒＡ，ＤａｒｂａｎｄｉＭ．Ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｒｗａｋｅｒｅｇｉｏｎｏｆａｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０１９，１８５：４８２－４９５．［１２］ＤａａｏｕＮＨ，ＧｕｅｒｒｉＯ，ＳａｉｇｈｉＭ．Ｆｕｌｌｒｏｔｏｒｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＲｅｐｏｒｔｓ，２０２０，６：２３２－２５５．［１３］ＡｍｉｎｉＳ，ＧｏｌｚａｒｉａｎＭＲ，ＭａｈｍｏｏｄｉＥ，ｅｔａｌ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＭｅｘｉｃｏｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｕｓｉｎｇｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｋｍｏｄｅｌａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅ３ＤｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｉｎＯｐｅｎＦＯＡＭ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０２１，１６３：２０２９－２０３６．［１４］任会来，张晓东，康顺．基于修正湍流模型的致动盘方法研究［Ｊ］．动力工程学报，２０１９，３９（１）：６５－７１．（ＲＥＮＨｕｉｌａｉ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏｄｏｎｇ，ＫＡＮＧＳｈｕｎ．Ｓｔｕｄｙｏｆａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１９，３９（１）：６５－７１．）［１５］刘鑫，闫姝，郭雨桐，等．复杂地形下风力机尾流数值模拟研究和激光雷达实验对比［Ｊ］．太阳能学报，２０２０，４１（３）：１－７．（ＬＩＵＸｉｎ，ＹＡＮＳｈｕ，ＧＵＯＹｕｔｏｎｇ，ｅｔａｌ．ＣＦＤｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｌｉｄａｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｎｃｏｍｐｌｅｘｔｅｒｒａｉｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＥｎｅｒｇｉａｅＳｏｌａｒｉｓＳｉｎｉｃａ，２０２０，４１（３）：１－７．）［１６］ＺｈａｎｇＨＦ，ＺｈａｎｇＨ，ＸｉｎＤＢ，ｅｔａｌ．Ｖｏｒｔｅｘｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｂｏｘｇｉｒｄｅｒｕｓｉｎｇｔｈｅｗａｋｅｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｍｉｃｒｏｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｌｕｉｄｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０２２，１０８：１－１２．［１７］李方敏．基于致动盘模型的风电场流场模拟［Ｄ］．北京：华北电力大学（北京），２０１８．（ＬＩＦａｎｇｍｉｎ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｗｉｎｄｆａｒｍｂａｓｅｄｏｎａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｋｍｏｄｅｌ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１８．）［１８］杨从新，张亚光，张旭耀，等．基于大涡模拟的风力机尾流特性研究［Ｊ］．机械设计与制造，２０２１（１０）：３３－３７．（ＹＡＮＧＣｏｎｇｘｉｎ，ＺＨＡＮＧＹａｇｕａｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｕｙａｏ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｆｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂａｓｅｄｏｎｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２０２１（１０）：３３－３７．）［１９］Ｊｉｍéｎｅｚ?，ＣｒｅｓｐｏＡ，ＭｉｇｏｙａＥ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａＬＥＳｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｗａｋｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆａｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｎｙａｗ［Ｊ］．ＷｉｎｄＥｎｅｒｇｙ，２０１０，１３（６）：５５９－５７２．［２０］ＣｈａｍｏｒｒｏＬＰ，Ｐｏｒｔé ＡｇｅｌＦ．Ａｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｓ：ｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｅｆｆｅｃｔｓ［Ｊ］．ＢｏｕｎｄａｒｙＬａｙｅｒＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，２００９，１３２（１）：１２９－１４９．（责任编辑：钟　媛　英文审校：尹淑英）２１３沈　阳　工　业　大　学　学　报第４５卷Copyright©博看网. 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海洋立管的涡激振动模型预测方法

海洋立管的涡激振动模型预测方法海洋立管是指将管道固定在海洋底部，将一端延伸至水面上，用于将海底的油气输送至陆地。

在海洋环境中，海洋立管会面临涡激振动的问题。

涡激振动是指当液体通过一个障碍物或管道时，会引发涡旋的形成，这些涡旋会对管道产生振动，对海洋立管的安全运营造成威胁。

为了预测海洋立管的涡激振动模型，需要分析流体动力学、结构动力学和海洋环境等多个因素。

下面将介绍一种基于计算流体动力学（CFD）模拟和实验验证的预测方法，该方法已被广泛应用于海洋结构的振动和力学分析中。

首先，通过CFD模拟，将海洋立管的周围流场进行建模和求解。

CFD模拟基于Navier-Stokes方程组，采用有限体积或有限元方法进行数值离散，可以求解流场中的速度、压力等物理量。

模拟过程中需要考虑海水的黏性、密度、温度等参数，并使用湍流模型来模拟湍流效应。

可以通过改变流场中的流速、复杂地形和海洋环境等参数，对涡激振动进行数值模拟。

在进行CFD模拟后，需要对模拟结果进行验证。

通过在实验室中进行小尺寸模型试验，可以测量模型在不同流速下的涡激振动情况。

实验中通常使用压力传感器、位移传感器和加速度计等仪器来监测振动数据。

同时，还可以利用高速摄影技术来观察涡旋的形成和演化过程。

实验数据可以用于验证CFD模拟结果的准确性和可靠性。

根据CFD模拟和实验验证的结果，可以建立海洋立管的涡激振动模型。

通过统计分析涡激振动的特征参数，如振动幅值、频率谱等，可以得到海洋立管在不同流速下的振动特性。

然后，可以利用建立的模型对其他海洋立管进行涡激振动的预测。

此外，为了进一步提高预测的准确性，还可以考虑其他影响因素。

例如，可以将海洋立管的柔度、弹性特性和支撑方式纳入模型中，探究它们对涡激振动的影响。

还可以结合海洋环境条件的变化，如波浪、水流激励等，对涡激振动模型进行修正。

总之，海洋立管的涡激振动模型预测方法基于CFD模拟和实验验证，通过对流场流速和结构振动的分析，可以预测海洋立管在不同流速情况下的涡激振动特性。

大涡模拟使用二阶格式

大涡模拟使用二阶格式大涡模拟（LES）是一种计算流体力学（CFD）技术，用于对湍流流动进行数值模拟。

LES使用二阶格式进行数值计算，以更准确地模拟湍流结构和湍流统计量。

LES是基于流体动力学方程组对流动进行模拟的。

这些方程组包括连续性方程、动量方程和能量方程。

对于LES来说，最重要的方程是Navier-Stokes方程，它描述了流体的运动和输运过程。

LES的目标是通过解Navier-Stokes方程来获得湍流流动的信息。

在LES中，流体运动被分解为大尺度涡旋和小尺度涡旋的叠加。

大尺度涡旋被认为是能影响流动的重要结构，而小尺度涡旋则被认为是对流动产生耗散的主要因素。

为了解析大尺度涡旋，LES采用了一种滤波器，用于去除小尺度湍流结构。

这样，LES可以模拟大尺度涡旋的动力学行为。

在LES中，二阶格式用于数值计算。

这意味着在离散的计算网格上，时间和空间都被分割成等距的点。

在时间上，二阶格式使用中心差分法，以保持数值格式的稳定性和准确性。

在空间上，二阶格式使用有限差分法，以近似表示连续物理量的导数。

在二阶格式中，时间和空间离散化的步长被选为最小的稳定步长，这样可以保持模拟的稳定性。

此外，二阶格式还通过纳维-斯托克斯方程的解来减小离散误差。

这使得LES能够在数值模拟中更准确地重建湍流结构。

对于LES来说，选择适当的网格分辨率非常重要。

过小的网格分辨率会导致计算结果的偏差，而过大的网格分辨率则会增加计算的复杂性和计算资源的需求。

因此，需要根据具体问题的需要选择适当的网格分辨率。

总之，大涡模拟使用二阶格式进行数值计算，以更准确地模拟湍流流动。

通过滤波器和二阶格式的组合，LES能够重建湍流结构，提供更可靠的湍流统计量和流动特性。

在实际应用中，LES已被广泛用于研究湍流流动，并取得了许多重要的科学发现和工程应用。