涡旋脱落在海洋工程中的CFD应用：从理论到实践

关键要点

• 流固耦合对涡流脱落及其对海洋结构性能的影响具有重大影响。
• 涡流脱落应用非常适用于海洋环境中的流量测量、能量收集和耐波性。
• 通过流体和海洋结构的 CFD 建模，可以识别流体行为，这可用于计算涡旋脱落频率。频率分析有助于辨别可提高船舶设计效率的理想设计修改。

海洋工程系统通常在恶劣环境下运行，包括暴露于动态载荷和腐蚀性介质。广泛的结构问题源于这种暴露，影响船舶和其他海上结构的性能、安全和稳定性。在流体与船体或螺旋桨等部件相互作用期间，压力波动和振动引起的不受控制的涡流脱落会进一步加剧结构损坏。

然而，涡流脱落的影响不仅限于它们对船舶设计的负面影响。涡旋脱落应用的研究也促进了不同设计修改和优化策略的发展。在本文中，我们将讨论对流固耦合的理解如何帮助我们提高海洋工程中 几个涡流脱落应用的性能。

海洋结构中的涡流脱落

当船舶或潜艇等海洋结构在流体中行进时，相互作用会导致朝向阻流体（例如船体或螺旋桨）的下游侧形成低压区域。高压区也朝向上游侧形成。两侧的压力差会产生漩涡，漩涡会交替地散落在身体的两侧。这种涡流脱落对海洋结构具有广泛的影响。

涡流脱落应用

许多海洋结构利用以下涡流脱落应用来提高运行效率。

1. 流量测量： 流量计安装在流体流中，使用位于阻流体附近的传感器测量涡流的频率。流速测量的准确性非常重要，因为涡旋脱落的频率与流速成正比。 流量测量允许工程师通过确保遵守设计规范来控制流量。然而，重要的是要注意，由于涡旋脱落频率的可预测性低，湍流或不稳定流的流量测量精度可能会降低。
2. 能量收集：通过在阻流体表面安装压电收集器，可以将流动的动能转化为电荷。由于涡流脱落而在压电材料中产生的机械应力可用于产生电力，可在船上使用。
3. 稳定性和适航性：由于汹涌的波浪，船舶会经历明显的颠簸或摇摆，从而难以保持航向并引起乘客不适。减轻这种情况的一种方法是利用涡流脱落来引起受控振动。添加鳍状结构等结构会产生可控振动的涡流，因此船舶和波浪可以平滑地相互作用，从而提高稳定性和耐波性。

海洋结构中的涡流脱落效应

1. 阻力：当流体在容器周围流动时，涡流会脱落，从而在其后面产生尾流湍流。这会增加阻力并损害结构的性能。然而，通过设计修改，可以为较小的尾流湍流引入受控涡流（即低压和高压交替区域），这有助于减少阻力。
2. 空化：涡流脱落导致低压和高压区域的形成。在低压区域，当压力下降到低于蒸气压时会形成空化气泡。当这些气泡移动到高压区域时，它们会破裂并产生冲击波，对海洋结构造成严重破坏。添加流体动力部件或设计修改以优化流量或压力可以帮助减少气蚀损坏。
3. 噪音和振动：海洋结构中的噪音和振动来自涡流脱落，它会产生高压和低压区域。压力差会产生不稳定的流体力，从而导致结构和周围流体发生机械振动。船舶设计的有效优化有助于减少振动和噪音的传播。

借助计算流体动力学 (CFD) 可以更好地分析上述涡旋脱落应用的有效性和设计优化要求。

实施 CFD 以实现最佳船舶设计

在海洋工程中，CFD 允许系统设计人员研究流体-结构相互作用，以便可以应用必要的设计修改来优化性能。CFD 仿真允许工程师对船舶周围的流体流动进行建模，以识别由于涡流脱落而导致的湍流或高阻力区域。这使得能够识别修改策略，例如添加流动改变装置或改变结构的几何形状。

CFD 模拟还有助于评估以下现象：

• 涡激振动 (VIV)：由于涡流脱落引起的振动，会导致结构疲劳。
• 涡激运动 (VIM)：由于涡旋脱落引起的运动，这会导致结构振荡、俯仰或滚动，这可能导致结构失效。

CFD 仿真可以对复杂的流动进行建模，以提供对高应力和振动区域的详细分析。此信息可用于进行设计更改以降低 VIV 和 VIM 的风险，从而增强结构的安全性和耐久性。

Cadence 的 CFD 工具（如 Fidelity）将帮助您评估温度和压力梯度并了解流场中的流体行为，以便您可以控制涡流脱落频率和强度。这可以通过有效的设计修改和优化来实现，这样您就可以提高海洋工程和防涡流应用的效率。

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