基于CFX圆柱涡激振动的数值模拟研究

基于k-ω SST湍流模型研究了典型亚临界状态下（Re=3900）二维圆柱的涡激振动。通过将圆柱简化为不同刚度的质量弹簧系统,并运用CFX的动网格与CEL功能,研究了刚度系数对圆柱涡激振动的影响。研究观察到了圆柱涡激振动的“锁定”现象、自限定现象以及漩涡脱落模态从2P到2S的转变过程,并得出了圆柱涡激振动特性随刚度变化的规律。     

圆柱涡激振动数值模拟研究

基于k-ωSST湍流模型研究典型亚临界状态下(Re=3 900)二维圆柱的涡激振动。通过将圆柱简化为不同刚度的质量弹簧系统,并运用CFX的动网格与CEL功能,研究刚度系数对圆柱涡激振动的影响。研究观察到圆柱涡激振动的自限定现象以及旋涡脱落模态的转变过程,并得到圆柱涡激振动特性随刚度变化的规律。     

圆柱结构涡激振动拖曳水池实验研究

柔性圆柱涡激振动特性已得到人们广泛关注,然而横流向与顺流向振动耦合问题仍有待进一步研究。设计了柔性圆柱涡激振动拖曳水池模型实验,圆柱模型的长径比为195.5、质量比为1.82,实验观测了圆柱结构横流向、顺流向涡激振动特性,并分析了横流向与顺流向两个方向涡激振动的耦合现象。通过应变传感器测量结构振动信息,利用模态分析法对实验数据进行处理,实验发现横流向与顺流向涡激振动耦合现象显著,特别是不同测点处的运动轨迹出现了"8字形"、倒置的"泪滴形"、"口唇形"等多种复杂形式。     

正三棱柱流致振动试验研究

以典型的圆柱流致振动为参照,进行了水中弹性支撑正三棱柱在不同刚度下的流致振动试验,系统阐述了正三棱柱的振幅与主频变化特性、频谱特征及尾流模式,并揭示了系统刚度对振动响应的影响。试验结果表明,有别于圆柱"自限制"的三个响应区间,正三棱柱的流致振动响应区间分别为:涡激振动分支,涡振-驰振转变分支及驰振分支。随折合流速增大,三棱柱的振动响应并未出现抑制现象。涡激-驰振转变分支中,振幅突增和频率突降,体现了由涡振向驰振的转变趋势;涡激振动上端分支和驰振分支中,柱体振动存在"锁频"现象。系统刚度的变化会造成相同折合流速下正三棱柱尾流模式的差异,进而影响振幅和频率响应。正三棱柱最大响应振幅比为2.11,大于现有圆柱试验的最大响应振幅比1.90。相比于圆柱,正三棱柱更有利于低速水流能的开发利用。     

质量比对圆柱涡激特性的影响研究

采用有限体积法对不同质量比圆柱在限制流向及不限制流向下的涡激振动进行了研究。圆柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST  湍流模型对限制流向和不限制流向下圆柱涡激振动进行了数值模拟。研究发现：限制流向和不限制流向时圆柱涡激振动横向振幅均出现了初始激励分支和下端分支, 不限制流向质量比2.0时还出现了超上端分支,其横向振幅最大值为1.05D,是限制流向工况的1.81倍,质量比越大两者相差越小;限制流向和不限制流向两种工况下圆柱涡激振动均发现频率锁定现象,但锁定区间不同;质量比大小对圆柱涡激振动锁定区间也有影响;最后对不同质量比下圆柱涡激振动轨迹进行了讨论分析。     

考虑旋转自由度的涡激振动数值模拟研究

当前,对于涡激振动的研究主要集中在单自由度或双自由度弹性固定的圆柱上,分析其振幅、频率、相位等振动响应随约化速度的变化规律。对于考虑旋转自由度的涡激振动,由于受到实验装置以及测量手段等条件的制约,相关的研究并不多见。基于OpenFoam软件,对考虑旋转自由度的低质量比圆柱涡激振动响应特性进行数值模拟研究。参照Williamson(2004)的实验,对双自由度低质量比圆柱进行数值模拟,在相同的边界条件下,对圆柱增加旋转自由度并进行数值模拟。通过对两种工况下涡激振动响应的对比分析,可以得出以下结论:圆柱在涡激振动过程中会发生艏摇现象。同时,艏摇现象的发生会对其振幅起小幅的抑制作用。此外,艏摇频率与横向振动频率一致,且艏摇幅度与尾涡形式有关。     

地声检测系统涡激振动研究及实验分析

为了研究水流对水底检测系统的影响,从涡激振动的原理及其作用力的表达式出发,建立检测系统圆柱杆件涡激振动的理论模型及振动微分方程,求解非线性振动微分方程,得到涡激振动的频率及振幅表达式。进行实验数据对比,解释舰船地震波场测试数据中异常的振动成分,表明检测系统上的圆柱杆件因受底流扰动形成涡激振动进而激励检测系统,从而使传感器接收到明显的涡激振动信号。针对涡激振动产生原理,提出抑制涡激振动的措施。     

基于模型试验和数值模拟的柔性串列圆柱体涡激振动研究

采用物理模型试验和CFD数值模拟方法研究了大长径比、低质量比的柔性串列圆柱体涡激振动现象。通过分析串列圆柱振幅、振动频率、受力特性和流场结构等特性,着重研究流速和圆柱间距对下游圆柱涡激振动特性影响。研究发现,上、下游圆柱涡激振动幅值差别较大,并且当流速大于某个值后,两者主导频率也不相同,由此提出分离约化速度U r。流速和间距都会影响上游尾流对下游圆柱的作用,其中流速会影响上游尾涡强度及其发展程度,间距会影响上游尾涡发展空间及其与下游圆柱的接触位置。     

近自由表面海流能发电装置VIVACE流激振动的实验研究

实验研究了大雷诺数、小质量比、近自由水面的弹性支撑刚性圆柱流激振动,利用了低湍流度的循环水槽施加不同来流条件,以虚拟弹簧阻尼系统(Vck)测量圆柱的流激振动幅值和频率。研究结果表明:约化速度由低到高,近自由表面处采用被动湍流控制技术(PTC)的圆柱流激振动可分为三个典型区域,分别为涡激振动区、涡激振动向驰振转化区和驰振区;涡激振动发生时,自由表面效应对光滑圆柱涡激振动以及PTC圆柱的流激振动影响不明显;驰振发生时,较大的约化速度对应较高弗劳德数,自由表面对弹性支撑刚性PTC圆柱的流激振动影响逐渐显著。研究成果可为海流能发电装置(VIVACE)提供必要的理论指导和技术支撑。     

高雷诺数下串列粗糙三圆柱的流致振动试验研究

通过试验研究了高雷诺数下串列粗糙三圆柱的流致振动,分析与探讨了刚度、间距比对各个圆柱振幅响应、频率响应、位移频谱的影响,并与串列粗糙双圆柱的结果进行对比,揭示了干扰圆柱数量的增加对受扰圆柱流致振动的影响规律。研究结果表明：在初始分支,上游圆柱对下游圆柱有强烈的屏蔽作用,而在上端分支,出现下游圆柱振幅超过上游圆柱的现象;在上端分支和过渡区域,低刚度条件下,下游圆柱干扰数量的增加可以明显降低上游圆柱的振动频率;在涡激振动区域,下游干扰圆柱数量的增加几乎不影响上游圆柱的振幅;在驰振区域,上游圆柱干扰数量的增加降低了下游圆柱的振幅,并随着刚度的增加对下游圆柱振幅的降低程度下降;间距比对串列粗糙三圆柱的流致振动响应具有显著影响。     

拖缆模型涡激振动的影响因素分析

为了考察圆柱型声纳阵拖缆在水下拖曳时,由于尾流中发放旋涡激起的涡激振动情况和有关规律,进行 了试验研究。对不同拖曳速度、拖缆倾角,即拖缆与来流速度之间的夹角和不同直径的拖缆涡激振动进行了测量分析。 结果表明,约化速度、拖缆倾角、拖曳速度等是影响涡激振动的主要因素。试验结果对进一步开展该类课题的研究,对声 纳阵拖缆的设计,提供了技术依据,具有实际价值。     

考虑流固耦合的弹性圆柱体涡激振动研究

利用CFX软件对质量比为7和3.24时圆柱体两向自由度涡激振动进行数值模拟,捕捉到了"锁定区"、"拍"和"相位开关"等现象,探讨了质量比对涡激振动的影响。最终通过研究表明:流固耦合在圆柱体涡激振动分析中应予以考虑;质量比为3.24时的锁定区范围、最大横向振幅以及达到锁定时的流速要比质量比为7时的大;质量比为7时顺流向频率一直为横向频率的2倍,但当质量比为3.24时,顺流向频率在较低约化速度(Ur≤4)下为横向频率的2倍,在较高约化速度下有两个值,一个为横向频率的2倍,另一个与横向频率接近。     

基于IBM法的低雷诺数下涡激振动高质量比效应的研究

由深圳市赛格广场大厦在低速风场作用下的强烈有感振动事件可知,高质量比系统的振动问题仍较突出。为澄清涡激振动中的高质量比效应,该文采用一种锐利界面浸入边界法,通过C++编程计算了低雷诺数(Re=80~150)流场中,不同高质量比(m*=14.8~280)、阻尼比(ζ=0.0012~0.036)和质量-阻尼比组合m*ζ对涡激振动的影响。结果表明:通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和有效性;在高质量比情况下,Re<100时,结构发生"弱锁定"现象,Re=100~130时,发生传统的"锁定"现象,且发生共振时Re=110,位于锁定区间靠近Re数较小的一侧,当Re=130时,开始摆脱锁定,且升力与振动响应出现"相位突变"现象;m*、ζ对锁定区间的影响并不大,但是质量-阻尼比组合m*ζ相同时,质量比对涡激振动的影响更加显著,即质量比低的结构系统发生涡激振动时的锁定区间更广(Re=90~140),m*=14.8的高质量比系统比m*=148的较高质量比系统提高了1.67倍,而且共振时对应的雷诺数也减小;发生共振时,尾涡脱落均为"2S"模态,最大振幅均为0.5D左右,无太大变化,即高质量比和较高质量比对振幅和锁定区间的影响并不大,但是随着ζ的增加,振幅比Y逐渐减小,振动受到了抑制。     

高雷诺数下圆柱顺流向和横向涡激振动分析

本文利用CFD方法,研究了较高雷诺数下圆柱流向与横向耦合涡激振动特性。利用FLUENT软件求解粘性Navier-Stokes方程、圆柱涡激振动的结构动力响应方程,运用动网格技术,实现流固耦合,对圆柱进行了单自由度和两自由度涡激振动的数值模拟,得到了雷诺数为 范围内的圆柱涡激振动的升力系数、阻力系数、振幅比及频率比随约化速度变化的规律,捕捉到涡激流固耦合振动的“锁定”“相位开关”等现象,结果表明在此雷诺数范围内锁定区域对应的折减速度范围为Ur=3~7.5。对比单自由度及两自由度的模拟结果,表明在低质量比情况下,流向的振动会对横向振动产生影响。     

高雷诺数下高质量比圆柱涡致振动的数值模拟

圆柱的涡致振动一直是研究者们关注的问题,但是以往的研究大多雷诺数不高,或者质量比较低。该文以高质量比圆柱为研究对象,采用质量-弹簧-阻尼系统,基于SST湍流模型,对结构在高雷诺数下发生涡致振动的过程进行了数值模拟和分析。通过流固耦合数值计算,模拟了圆柱涡致振动的高幅分支试验现象,计算所得的最大振幅比随速度比的变化曲线与试验吻合较好。研究结果验证了流固耦合计算方法的正确性,表明SST模型适合于由强逆压梯度引起的边界层分离流动问题。数值模拟显示在高雷诺数下,高质量比的圆柱涡致振动会出现高幅分支。该文的数值分析方法可以为高雷诺数下结构涡致振动问题的研究提供参考。     

梯度风场中高耸结构涡致振动响应时程分析

采用两参数振子模型,考虑梯度风场中高耸结构的气-固耦合相互作用;运用片条理论和差分法,建立了烟囱涡激振动多自由度体系非线性方程。直接在时域中求解多自由度非线性涡振方程,准确地反映涡激振动的“锁定”和振幅峰值效应,并在时域中分析了烟囱结构发生涡致振动的响应幅值、临界风速范围及其影响因素。     

双圆柱尾流致涡激振动的质量比效应及其机理

双圆柱尾流激振受多种因素影响,情况复杂,质量比m*(相同体积的圆柱与流体质量的比值)对双圆柱尾流激振的影响规律尚未澄清。采用数值模拟方法,在低雷诺数下(Re=100),研究了三种质量比(m*=2,10,20)对串列双圆柱尾流致涡激振动特性和尾流流场结构的影响规律,分析了下游圆柱的升力与位移的相位差,探讨了涡激升力与能量输入的内在联系。结果表明:质量比对串列圆柱尾流致涡激振动有重要影响。随着质量比的增大,横流向最大振幅减小,并发生在较小折减速度下,振动锁定区域范围变窄;质量比越小,升力与位移之间的相位差对下游圆柱振幅的影响越显著;在较小质量比时尾流出现“2S”、不规则和平行涡街模态,而在较大质量比时只有“2S”和平行涡街模态。     

考虑流固耦合的大柔性圆柱体涡激振动非线性时域模型

基于流固耦合的涡激升力模型和Morison方程,提出了一个非线性的圆柱体涡激振动时域分析模型。该模型不仅考虑了脉动拖曳力诱发的顺流向涡激振动,而且考虑了横向的流固耦合问题。该模型物理意义清楚,其非线性包括流体阻尼的非线性性质和涡激升力与圆柱体响应的相关性,这些非线性性质是该模型区别于现有涡激振动分析模型的主要特征。分析表明,该模型较好地反映了圆柱体涡激振动的本质,与现有的商业软件吻合较好。