Анализ возможности снижения лобового сопротивления за счёт расположения и поперечных сечений подводных конструкций в потоке критического режима

Введение. Длинные и узкие в поперечнике конструкции морских энергодобывающих систем находятся под постоянным воздействием течений и волн. Гидродинамические нагрузки являются результатом взаимодействия подводных трубопроводов, шлангокабелей, опор оборудования с потоком жидкости и приводят к образованию вихрей в зоне за конструкциями. Вихреобразовательные силы служат источником циклического нагружения и постепенно ускоряют усталостное разрушение, что может привести к авариям. Одним из способов снижения нагрузок на подводные конструкции является изменение формы их поперечного сечения с учетом режима потока. Недостаточно изучено, каким образом итоговые гидродинамические нагрузки зависят от формы поперечного сечения и взаимного расположения названных выше элементов систем, находящихся в равномерном критическом потоке. Представленная научная работа призвана восполнить этот пробел. Цель исследования — рассмотреть в данном контексте значение расстояния между конструкциями, а также наличие полукруглой D-образной конструкции, размещённой перед группой из трёх цилиндров с разными поперечными сечениями.

Материалы и методы. Для численного моделирования вихреобразовательных сил использовался метод вычислительной динамики флюидов в программе ANSYS Fluent для цилиндров диаметром D = 0,3 м. Моделирование выполнено методом неприсоединённых вихрей DES, который сочетает в себе преимущества метода усреднённого по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса RANS и метода крупных вихрей LES. В качестве объекта исследования рассматривалась система, состоящая из четырёх конструкций в вычислительном домене в 2D, включая стоящий выше по течению полукруглый цилиндр и основную группу из трёх цилиндров круглой, квадратной и ромбовидной формы поперечного сечения. Эти конструкции в условиях неустановившегося процесса находятся под действием равномерного потока критического режима при Re = 2,5×10⁵.

Результаты исследования. В результате моделирования получены пять наборов данных для изменяющихся во времени коэффициентов вихреобразовательных подъёмной силы и силы сопротивления: для основной системы из полукруглой, круглой, квадратной и ромбовидной конструкции, а также для четырёх систем из только полукруглых, только круглых, только квадратных и только ромбовидных конструкций. Дополнительно проведён анализ влияния расстояния между конструкциями на амплитуду колебаний коэффициентов гидродинамических сил. Полученные результаты представлены в виде коэффициентов подъёмной силы и силы сопротивления в динамике, анализа частот и контуров полей скорости, давления, завихрённости. Результаты позволяют установить положительное влияние стоящей выше по течению полукруглой конструкции на снижение силы сопротивления на центральную конструкцию в группе из трёх цилиндров ниже по течению.

Обсуждение и заключение. Результаты проведённых исследований позволяют принимать обоснованные решения для расстановки морских конструкций в группе из четырёх объектов в зависимости от формы поперечного сечения и расстояния между ними. Установка полукруглой конструкции выше по течению позволяет снизить гидродинамическую силу сопротивления на центральную конструкцию в группе из трёх конструкций ниже по течению, что замедляет её усталостное разрушение и увеличивает срок эксплуатации.

1. Zdravkovich MM. Review of Flow Interference between Two Circular Cylinders in Various Arrangements. Journal of Fluids Engineering. 1977;99(4):618–633. https://doi.org/10.1115/1.3448871

2. Williamson CHK. Vortex Dynamics in the Cylinder Wake. Annual Review of Fluid Mechanics. 1996;28(1):477–539. https://doi.org/10.1146/annurev.fl.28.010196.002401

3. Wanhai Xu, Haokai Wu, Kun Jia, Enhao Wang. Numerical Investigation into the Effect of Spacing on the Flow-Induced Vibrations of Two Tandem Circular Cylinders at Subcritical Reynolds Numbers. Ocean Engineering. 2021;236:109521. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2021.109521

4. Sumner D, Richards MD, Akosile OO. Two Staggered Circular Cylinders of Equal Diameter in Cross-Flow. Journal of Fluids and Structures. 2005;20(2):255–276. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2004.10.006

5. Bearman PW, Wadcock AJ. The Interaction between a Pair of Circular Cylinders Normal to a Stream. Journal of Fluid Mechanics. 1973;61(3):499–511. https://doi.org/10.1017/S0022112073000832

6. Annapeh HF, Kurushina V. Numerical Simulation of Flow-Induced Forces on Subsea Structures in a Group Under Uniform and Sheared Flow. In book: Dimitrovová Z, Biswas P, Gonçalves R, Silva T. (eds). Recent Trends in Wave Mechanics and Vibrations. Cham: Springer; 2022. Р. 512–522. https://doi.org/10.1007/978-3-031-15758-5_52

7. Annapeh HF, Kurushina V. Flow-Induced Forces for a Group of One Large and Several Small Structures in the Sheared Turbulent Flow. Fluids. 2023;8(5):158. https://doi.org/10.3390/fluids8050158

8. Annapeh HF, Kurushina V. Hydrodynamic Loads on a Group of Six Structures of Different Cross-Sections in Uniform and Sheared Flow. Journal of Marine Science and Engineering. 2023;11(2):383. https://doi.org/10.3390/jmse11020383

9. Mannini C, Marra AM, Massai T, Bartoli G. Interference of Vortex-Induced Vibration and Transverse Galloping for a Rectangular Cylinder. Journal of Fluids and Structures. 2016;66:403–423. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2016.08.002

10. Marra AM, Mannini C, Bartoli G. Measurements and Improved Model of Vortex-Induced Vibration for an Elongated Rectangular Cylinder. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2015;147:358–367. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2015.08.007

11. Bin Liu, Renjie Jiang. Vortex-Induced Vibrations of a Rectangular Cylinder. Ocean Engineering. 2022;266:112883. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.112883

12. Jauvtis N, Govardhan R, Williamson CHK. Multiple Modes of Vortex-Induced Vibration of a Sphere. Journal of Fluids and Structures.2001;15(3–4):555–563. https://doi.org/10.1006/jfls.2000.0348

13. Govardhan RN, Williamson CHK. Vortex-Induced Vibrations of a Sphere. Journal of Fluid Mechanics. 2005;531:11–47. https://doi.org/10.1017/S0022112005003757

14. Gabyshev DN, Szakáll M, Shcherbakov DV, Fedorets AA, Dyachkov SM. Oscillatory Signatures in the Raindrop Motion Relative to the Air Medium with Terminal Velocity. Atmosphere. 2022;13(7):1137. https://doi.org/10.3390/atmos13071137

15. Leontini JS, Thompson MC. Vortex-Induced Vibrations of a Diamond Cross-Section: Sensitivity to Corner Sharpness. Journal of Fluids and Structures. 2013;39:371–390. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2013.01.002

16. Arionfard H, Mohammadi S. Numerical Investigation of the Geometrical Effect on Flow-Induced Vibration Performance of Pivoted Bodies. Energies. 2021;14(4):1128. https://doi.org/10.3390/en14041128

17. Mehdipour I, Madaro F, Rizzi F, De Vittorio M. Comprehensive Experimental Study on Bluff Body Shapes for Vortex-Induced Vibration Piezoelectric Energy Harvesting Mechanisms. Energy Conversion and Management: X. 2022;13:100174. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2021.100174

18. Lehmkuhl O, Rodríguez I, Borrell R, Chiva J, Oliva A. Unsteady Forces on a Circular Cylinder at Critical Reynolds Numbers. Physics of Fluids. 2014;26(12):125110. https://doi.org/10.1063/1.4904415

19. Achenbach E, Heinecke E. On Vortex Shedding from Smooth and Rough Cylinders in the Range of Reynolds Numbers 6×10³ to 5×10⁶. Journal of Fluid Mechanics. 2006;109:239–251. https://doi.org/10.1017/S002211208100102X

20. Wornom S, Ouvrard H, Salvetti MV, Koobus B, Dervieux A. Variational Multiscale Large-Eddy Simulations of the Flow past a Circular Cylinder: Reynolds Number Effects. Computers & Fluids. 2011;47(1):44–50. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2011.02.011

21. Porteous A, Habbit R, Colmenares J, Poroseva S, Murman SM. Simulations of Incompressible Separated Turbulent Flows around Two-Dimensional Bodies with URANS Models in OpenFOAM. In: Proc. 22nd AIAA Computational Fluid Dynamics Conference. Reston, VA: AIAA; 2015. Р. 2609. https://doi.org/10.2514/6.2015-2609

22. Nazvanova A, Guang Yin, Muk Chen Ong. Numerical Investigation of Flow around Two Tandem Cylinders in the Upper Transition Reynolds Number Regime Using Modal Analysis. Journal of Marine Science and Engineering. 2022;10(10):1501. https://doi.org/10.3390/jmse10101501