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.