關鍵要點

• 流固耦合對渦流脫落及其對海洋結構性能的影響具有重大影響。    

• 渦流脫落應用非常適用于海洋環境中的流量測量、能量收集和耐波性。 

• 通過流體和海洋結構的 CFD 建模，可以識別流體行為，這可用于計算渦旋脫落頻率。頻率分析有助于辨別可提高船舶設計效率的理想設計修改。 

海洋工程系統通常在惡劣環境下運行，包括暴露于動態載荷和腐蝕性介質。廣泛的結構問題源于這種暴露，影響船舶和其他海上結構的性能、安全和穩定性。在流體與船體或螺旋槳等部件相互作用期間，壓力波動和振動引起的不受控制的渦流脫落會進一步加劇結構損壞。 

然而，渦流脫落的影響不僅限于它們對船舶設計的負面影響。渦旋脫落應用的研究也促進了不同設計修改和優化策略的發展。在本文中，我們將討論對流固耦合的理解如何幫助我們提高海洋工程中 幾個渦流脫落應用的性能。

海洋結構中的渦流脫落

當船舶或潛艇等海洋結構在流體中行進時，相互作用會導致朝向阻流體（例如船體或螺旋槳）的下游側形成低壓區域。高壓區也朝向上游側形成。兩側的壓力差會產生漩渦，漩渦會交替地散落在身體的兩側。這種渦流脫落對海洋結構具有廣泛的影響。 

渦流脫落應用 

許多海洋結構利用以下渦流脫落應用來提高運行效率。

1. 流量測量： 流量計安裝在流體流中，使用位于阻流體附近的傳感器測量渦流的頻率。流速測量的準確性非常重要，因為渦旋脫落的頻率與流速成正比。
   
   流量測量允許工程師通過確保遵守設計規范來控制流量。然而，重要的是要注意，由于渦旋脫落頻率的可預測性低，湍流或不穩定流的流量測量精度可能會降低。 

2. 能量收集：通過在阻流體表面安裝壓電收集器，可以將流動的動能轉化為電荷。由于渦流脫落而在壓電材料中產生的機械應力可用于產生電力，可在船上使用。 

3. 穩定性和適航性：由于洶涌的波浪，船舶會經歷明顯的顛簸或搖擺，從而難以保持航向并引起乘客不適。減輕這種情況的一種方法是利用渦流脫落來引起受控振動。添加鰭狀結構等結構會產生可控振動的渦流，因此船舶和波浪可以平滑地相互作用，從而提高穩定性和耐波性。 

海洋結構中的渦流脫落效應

1. 阻力：當流體在容器周圍流動時，渦流會脫落，從而在其后面產生尾流湍流。這會增加阻力并損害結構的性能。然而，通過設計修改，可以為較小的尾流湍流引入受控渦流（即低壓和高壓交替區域），這有助于減少阻力。 

2. 空化：渦流脫落導致低壓和高壓區域的形成。在低壓區域，當壓力下降到低于蒸氣壓時會形成空化氣泡。當這些氣泡移動到高壓區域時，它們會破裂并產生沖擊波，對海洋結構造成嚴重破壞。添加流體動力部件或設計修改以優化流量或壓力可以幫助減少氣蝕損壞。 

3. 噪音和振動：海洋結構中的噪音和振動來自渦流脫落，它會產生高壓和低壓區域。壓力差會產生不穩定的流體力，從而導致結構和周圍流體發生機械振動。船舶設計的有效優化有助于減少振動和噪音的傳播。 

借助計算流體動力學 (CFD) 可以更好地分析上述渦旋脫落應用的有效性和設計優化要求。 

實施 CFD 以實現最佳船舶設計

在海洋工程中，CFD 允許系統設計人員研究流體-結構相互作用，以便可以應用必要的設計修改來優化性能。CFD 仿真允許工程師對船舶周圍的流體流動進行建模，以識別由于渦流脫落而導致的湍流或高阻力區域。這使得能夠識別修改策略，例如添加流動改變裝置或改變結構的幾何形狀。

CFD 模擬還有助于評估以下現象： 

• 渦激振動 (VIV)：由于渦流脫落引起的振動，會導致結構疲勞。

• 渦激運動 (VIM)：由于渦旋脫落引起的運動，這會導致結構振蕩、俯仰或滾動，這可能導致結構失效。

CFD 仿真可以對復雜的流動進行建模，以提供對高應力和振動區域的詳細分析。此信息可用于進行設計更改以降低 VIV 和 VIM 的風險，從而增強結構的安全性和耐久性。

Cadence 的 CFD 工具（如 Fidelity）將幫助您評估溫度和壓力梯度并了解流場中的流體行為，以便您可以控制渦流脫落頻率和強度。這可以通過有效的設計修改和優化來實現，這樣您就可以提高海洋工程和防渦流應用的效率。

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