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1. 研究目的与意义

塔设备是化工生产中的重要设备，一般设置在露天场合，当风载荷满足一定要求时会使塔产生垂直于风向的横向振动，影响正常生产。采用CFD数值模拟的方法，分析不同条件时风绕塔体流动的状况，为塔设备防振提供参考依据。

本次任务的目的是对风绕塔体的流动情况进行分析，在查阅文献的基础上，全面熟悉和了解卡曼旋涡的生成、塔振动的机理和危害、以及FLUENT软件的应用情况。应用计算流体力学软件对有效的描述塔体周围速度、压力场和卡曼漩涡生成脱落的状况。分析风速、塔体尺寸对塔设备振动的影响，为塔设备防振提供参考依据。

2. 国内外研究现状分析

塔设备是化工生产中的重要设备，一般设置在露天场合，露天的塔设备设计时,除考虑所承受的操作压力、自重、地震载荷等作用之外还必须考虑风载荷的作用，塔设备在风力作用下，在塔体背风面两侧会形成漩涡，然后脱离并形成漩涡尾流，这一现象首先由冯卡曼所研究和发展，所以被称为卡曼涡街。塔设备在风力作用下，将产生两个方向的振动。一种是顺风向的振动，振动的方向与风的流向一致; 另一种是横风向的振动，振动的方向与风的流向垂直。其中，横风向风振对塔型设备及其基础的设计影响尤其不可小视。由此塔设备产生风诱导共振需具备两个条件：一是存在卡曼涡街，二是风诱导振动频率与塔的自振频率合拍。美国华盛顿州塔科马海峡大桥( tacoma narrows bridge)曾因风诱发的振动被毁，接着在英美等国又发生钢烟囱剧烈振动与断裂的事故，因此诱发振动的研究便日益受到各国工程界的重视，而在塔型设备设计时考虑风诱发的振动已成为必然趋势，我国的石化行业在《石油化工塔型设备基础设计规范》sh/t 3030 － 1997 及以前版本的规范中，对横向风振的影响是不考虑的。但在新版《石油化工塔型设备基础设计规范》sh/t 3030 －2009 条文说明中对塔的横向风振的影响有所提及，对于较重要的塔型设备，附塔设备较少周围又比较空旷，当设备外形尺寸满足一定要求时，应按gb 50009 － 2001( 2006 年版) 第7. 6. 1 条、gb 50051 － 2002 第5. 2. 4条验算是否要考虑横风向风振的影响，并结合附塔设备及管线的情况适度考虑横向风振的影响^[1]。元少昀^[2]分析了塔器及烟囱在风载荷作用下的振动形式，重点分析了横风向振动的产生机理，产生条件，横风向共振的判定以及振动的危害；列举了因风诱导导致结构破坏的一些实例。归纳了减振的主要途径是增加结构的固有频率，提高结构的阻尼或破坏卡曼涡街的形成；并结合工程实际，提出总结了工程中的有效的多种减振措施。李先彪等人^[3]介绍了一种计算塔式容器风诱导振动的新方法及一些防振措施如：(1)降低振幅采用破涡器(如螺旋破涡条等)或附加减振器，降低设备的高径比。(2)增加强度增加裙座厚度、裙座张角及壳体壁厚。该方法已应用于实际工程，具有可行性。随着现代高层建筑高度的增加和自振频率的降低，高层建筑的风振影响越来越大。为了研究超高层建筑横风向载荷影响，同济大学顾明^[4]利用高频测力天平技术提出了超高层建筑的广义气动力谱的闭合形式，武汉大学梁枢果^[5]利用刚性模型测压试验建立了矩形高层建筑建筑横风向动力风载荷解析模型，并在此基础上提出了横风向振响应的简化计算公式。所以在生产生活中，我们需对塔振动需给予重视。

计算流体力学（cfd，computational fluid dynamics）是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程（euler或navier-stokes方程）以发现各种流动现象规律的学科。它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。广义的cfd包括计算水动力学、计算空气动力学、计算燃烧学、计算传热学、计算化学反应流动，甚至数值天气预报也可列入其中。计算流体力学的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展，为简化流动模型的创建提供了更多的依据，使很多分析方法得到了发展和完善。然而，更重要的是计算流体力学采用它独有的、新的研究方法数值模拟法，研究流体运动的基本物理特性。因此，采用cfd数值模拟的方法，能分析不同条件时风绕塔体流动的状况，为塔设备防振提供参考依据。

国内外对风绕塔设备进行了大量的实验研究，早期曹丰产、项海帆^[6]用基于一般曲线坐标系和交错网格的差分法求解原始变量二维不可压粘性流体的n- s方程 ，计算了雷诺数从100到100000范围内静止圆柱的非定常绕流和雷诺数从 5160到 6300范围内的涡致振动。计算涡致振动时用动网格法分析圆柱和流体的耦合作用 ，n- s方程用二阶投影法和多重网格法求解 ，柱体的振动方程用 newmark-β法求解。计算得到的静止圆柱涡脱频率和试验结果相当吻合，阻力系数令人满意 ，并成功地预测到了涡致振动的拍和锁定现象。且计算得到的振幅和试验结果相差很小。徐海涛等人^[7]利用有限体积法对re= 20 和re= 136 时流体绕塔体的流动状况进行数值模拟。结果表明采用三阶精度的quick 离散动量方程，并用瞬态piso 算法求解压力--速度耦合的方法可以很好地模拟塔体背风侧的旋涡生成及脱落过程。计算结果和理论分析及经典实验结果比较一致，由此可以更好地理解卡曼涡街的结构。徐元利等人^[8]使用计算流体力学软件fluent，模拟均匀来流绕固定圆柱的流动，模拟雷诺数为20，40，100时的绕流流动，得到流场的流函数等值线图和速度矢量图。计算结果表明：当雷诺数增加时，流动表现出一系列不同的构造。在雷诺数约为40前后流场有明显变化。小于这个数时，存在一对位置固定的旋涡。大于40时，流场开始变得不稳定，旋涡扩大、脱落、又生成，逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡。并与实验及数值模拟结果比较，确认fluent能够很好地预测流动结构。日常生活中， 河道建桥通常采用圆柱桥墩，但大多数情况下桥不是垂直穿过河道断面的，而是存在一个桥河交叉角，交角不同会导致桥墩周围流场不同，对此可以通过数值模拟来捕捉圆柱绕流流场的变化^[9]。standsbypk用离散涡方法研究了并排、串列和交错放置的双圆柱绕流问题：slaoutianda和standsbypk利用随机涡方法计算了不同间距雷诺数re=200时的串、并列双圆柱流场^[10]。而杨纪伟等人^[11]直接使用流体软件fluent，在二维流场中模拟双圆柱间距固定(6cm)、圆柱中心连线与流向成不同夹角的绕流状态，同时对比其他学者的研究结果^[12-13]，分析区域中心线上的流速试验值，验证了fluent流体软件解决该问题的有效性和可行性。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：本次任务的目的是对风绕塔体的流动情况进行分析，在查阅文献的基础上，全面熟悉和了解卡曼旋涡的生成、塔振动的机理和危害、以及fluent软件的应用情况。应用计算流体力学软件对有效的描述塔体周围速度、压力场和卡曼漩涡生成脱落的状况。分析风速、塔体尺寸对塔设备振动的影响，为塔设备防振提供参考依据。

时间安排：

1~3周 ：调研及查阅文献，翻译外文资料写出开题报告 ；

4. 研究创新点

无