振荡流中圆柱体横流涡激振动特性数值分析

为了探究振荡流效应对涡激振动的影响,本文对振荡流中圆柱体的横流涡激振动进行了数值模拟。对数值模型进行了验证分析,对KC数为25和50 2种振荡流下的涡激振动进行模拟,得到了圆柱体流体力、位移和涡量云图。结果表明:振荡流能激发圆柱体的多模态振动,且KC数越大多模态特性越明显;在锁定区间主导模态的幅值明显高于其他模态;锁定区间随着KC数的增大有变宽趋势;流向改变前脱落的漩涡再次经过圆柱体时会增加圆柱体的受力。     

端壁VGJs对高亚音扩压叶栅内分离结构的影响

为揭示栅内射流旋涡发生器(vortex generator jets,VGJs)控制前后叶栅内部流动特性,本文根据拓扑学原理,对某高亚音压气机叶栅通道控制前后分离形态的变化进行了研究,并给出了其拓扑结构及旋涡结构模型,同时对控制前后损失特性变化进行了分析。计算结果表明:端壁射流旋涡发生器改变了流场的分离结构,有效推迟了吸力面侧的分离。加入流动控制后,奇点数目明显减少,端壁附面层横向迁移被有效抑制,通道涡、集中脱落涡被明显削弱,叶展中部的尾缘脱落涡基本消失,端壁损失以及叶型损失变化不大,二次流动损失明显降低,降低了38%。端壁射流旋涡发生器对叶栅中部影响较弱,因此,有必要采取端壁/吸力面组合流动控制进一步改善流场结构。     

完全湍流剪切层对圆柱涡激振动特性的影响

为研究完全湍流剪切层(2×10~4~4×10~4Re1×10~5~2×10~5)下雷诺数对涡激振动动态响应的影响,在OpenFOAM平台下采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型,采用二阶范德波尔方程描述二维圆柱体涡激振动,对完全湍流剪切层下的圆柱绕流涡激振动进行数值计算,分析涡激振动的振幅、频率特性,并在Williamson-Roshko(W-R)图谱中分析旋涡尾迹脱落模式.结果表明:在相同折减速度下提升雷诺数时,圆柱振幅会显著增大,最大振动振幅值高于自由剪切层过渡旋涡区结果及修正Griffin图谱结果.雷诺数对提高圆柱的涡激振动振幅和同步区的范围具有决定性作用,在完全湍流剪切层中,当提升阻尼参数(α≥0.38)时,涡激振动的上部分支消失,振动频率出现"阶跃".     

合成射流对串列双圆柱受力特性及流场特性影响的数值模拟

合成射流能够通过改变单个圆柱尾部的旋涡脱落模态有效抑制其涡致振动,但对多圆柱结构的控制效果尚待研究。采用数值模拟研究了对称布置在上游圆柱尾部的水平合成射流对串列双圆柱的受力特性和尾流特性的影响。在研究中,来流的雷诺数恒定为150,合成射流的位置角度为45°,2个圆柱中心之间的间距比为2～10。研究结果表明,水平合成射流能够同时降低上、下游圆柱的升、阻力系数,但过大的合成射流动量系数反而会导致上、下游圆柱的阻力系数均大于无合成射流控制情况下的值。当动量系数为2和4时,上游圆柱的尾迹完全由水平合成射流主导,变得完全对称;但下游圆柱的尾部始终存在交替脱落的旋涡。     

大型射电望远镜舱索柔性结构涡激振动的数值模拟

基于大幅度涡激共振发生的必要条件，找出了大型射电望远镜舱索柔性结构可能发生涡激共振的漩涡脱落频率锁住区域与相应的临界风速．在满足涡激共振必要条件的情况下，在时域中数值模拟了结构的涡激振动，给出了结构不会发生大幅度涡激共振的研究结论．模拟结论得到了模型实验的验证．     

大跨度桥梁主梁风雨致涡激振动试验研究

针对风雨联合作用下的大跨桥梁风雨致涡激振动问题,以某一分离式双箱主梁桥梁及其闭口主梁型式桥梁为研究对象,通过在大气边界层风洞中搭建风雨联合作用试验系统,完成风雨联合作用下大跨桥梁节段模型涡激振动试验.试验结果显示:不同雨强下,开口节段模型涡激振动的起振风速及锁定风速基本一致,但最大振动幅值有一定差别.不同雨强下,闭口节段模型随机振动的振动时程有一定差别,且随着风速增大,振动幅值增大.开口节段模型风雨联合作用下的位移幅值大于单一风作用下的位移幅值,最大增量可达1/4.得出结论:降雨增大了桥梁主梁涡激振动幅值;闭口节段模型相对开口节段模型在抵抗涡激振动方面性能更优良.     

基于改进湍流模型的圆柱涡激振动数值模拟研究

为准确模拟圆柱体在涡激振动中的升力与阻力,本文对SST(shear stress transport)k-ω湍流模型进行改进,并在圆柱绕流中验证改进模型的正确性。基于OpenFOAM嵌入自编程序进行圆柱双自由度涡激振动数值模拟,采用三种不同的初始条件,通过计算对比三种初始状态下涡激振动的幅值、锁定区间、流体力、运动轨迹以及漩涡脱落特点,发现三种初始条件下得到的结果有一定的差别,相比之下匀加速条件的结果最为精确。研究显示:漩涡脱落模式的突变导致了幅值分支的突变,漩涡脱落体现出的"惯性"是产生"迟滞现象"的内在原因之一。     

方柱流致横向振动的CFD数值模拟

为对弹性支撑方柱的流致横向驰振与涡激振动现象进行研究,利用Fluent软件求解Re=500下的粘性不可压流场,方柱振动模型简化为质量-弹簧-阻尼体系,将Newmark-β方法写入用户自定义函数(UDF)来求解柱体运动方程,方柱和流场之间的非线性耦合作用通过动网格实现.考虑了质量比和折合阻尼对方柱振动的影响,结果得到了低频率比下方柱的驰振现象,方柱的最大驰振位移达到2.5倍边长,观察到方柱由驰振到涡激振动的转化.详细分析不同频率比下柱体的升阻力系数、横向位移特征值和尾流涡结构,获得"拍"和"相位开关"等现象.工程中对自振频率较低的方形结构进行设计时需考虑驰振作用的影响,优先采用不易发生驰振的截面形式.     

不同孔型气膜冷却流场的大涡模拟

采用大涡模型(LES)模拟了圆形气膜孔和锥形角γ=30°扇形孔在吹风比M=1.0时不同截面上的涡量等值线以及分布特征随时间的变化过程。结果表明:对称面的正反旋涡和垂直截面的马蹄形涡的两翼交替周期性地脱落成新的涡,同一截面扇形气膜孔旋涡生成和脱落的时间比圆形气膜孔的短,冷气射流与主气流掺混剧烈,带走的能量较多,所以壁面的冷却效率高;反向旋涡对气膜冷却流场有重要影响,在同一截面圆形孔的反向涡旋对(CVP)要比扇形孔的大,且涡心位置要比扇形孔的高,因此圆孔对壁面的冷却效果要比扇形孔的差。     

矩形截面高层建筑横风向等效静风荷载分析

高层建筑横风向风振响应和等效静风荷载备受风工程和结构工程领域的关注。横风向风荷载产生机理复杂,一般认为主要来源于紊流、尾流及旋涡脱落和气动阻尼。横风向风振主要是旋涡脱落下的涡激振动,各国规范大都规定圆柱体横风向涡激振动是确定性振动,非圆截面要依据风洞试验确定。该文综合众多试验研究,提出了在准定常理论不适用情况下的随机振动分析方法,建立了超高层建筑的横风向等效静风荷载的计算模型。引入横风力谱,考虑气动阻尼,对某矩形截面建筑进行了等效静风荷载分析,并对相关参数进行了分析。分析结果表明,按随机振动理论建立计算模型是可行的,当计算横风向风振响应时,应适当考虑正气动阻尼的影响,使计算结果更具真实性。     

立管扰流装置Helical Strakes的数值模拟分析

泻涡脱落诱发的涡激振动是海洋立管疲劳破坏的主要诱因,利用Helical Strakes（螺旋侧板）抑制涡激振动对立管的损伤。通过CFD数值模拟软件,对光滑立管和覆盖两种不同螺旋侧板的立管,在不同的雷诺数下进行模拟分析。将得到拖曳力和升力结果与现有的数值和实验结果进行对比,得到相关的拖曳力系数和升力,研究Helical Strakes的相关特性。数值模拟结果表明,螺旋侧板可以影响拖曳力和升力的变化,扰乱流场,很好地抑制漩涡的产生。     

低雷诺数下串列双圆柱涡激振动的数值模拟

针对海洋立管中常发生的流致振动问题,本文采用自主研发的CIP-ZJU数值模型,对雷诺数Re=150条件下串列双圆柱的涡激振动进行模拟。该模型在笛卡尔网格系统下建立,采用具有三阶精度的CIP方法求解N-S(navier-stokes)方程,采用浸入边界法处理流-固耦合问题。本文仅考虑圆柱的横向振动,具体分析不同间距比和折合速度,并分别考虑上游圆柱固定和自由振动两种工况,得到柱体振动响应、受力响应和流场信息,验证了本模型在处理柱体涡激振动问题的有效性。结果表明:串列情况下下游圆柱的最大振幅要明显大于单柱的情况,双圆柱涡激振动的阻力系数普遍比单圆柱涡激振动时要小;上游圆柱固定时,下游圆柱的振动频率几乎不由斯特劳哈尔频率控制;而当上游圆柱自由振动时,在折合速度4≤Ur≤5时,上游圆柱后方产生两列涡,使下游圆柱的运动范围限制在两列涡之间,可对其振动产生了抑制作用。     

圆柱顺流向涡激振动响应及流体力特征分析

为了研究柔性圆柱顺流向涡激振动响应特性和流固耦合机理,进行了柔性圆柱涡激振动实验。根据实验中测量的结构应变,用模态分析法重构圆柱顺流向响应位移。建立有限元模型,根据位移逆向求解圆柱顺流向的流体力,并通过最小二乘法获得了脉动阻力和附加质量系数。结果表明:顺流向响应位移均方根最高可达0. 45倍的圆柱直径;在模态控制区,随响应位移的增大,脉动阻力系数减小,体现了顺流向涡激振动的自限制特性;附加质量系数在模态控制区减小,致使结构响应频率"锁定"在固有频率附近;脉动阻力系数和响应位移的轴向分布具有高度一致性;流体力和响应位移之间的相位差会对脉动阻力和附加质量系数产生重要影响。     

基于遗传规划圆柱涡激振动速度反馈控制研究

以二维圆柱为研究对象,基于结构振动模型和尾流振子模型,利用遗传规划(Genetic Programming)算法寻找最优速度反馈控制律,探究了在最优控制规律作用下抑制涡激振动的效果。首先计算了质量比为2.36和7.91下圆柱的振动幅值比,发现共振幅值和锁频区间与实验结果有较好的一致性。然后,通过引入损失函数,利用遗传规划算法计算了在约化速度为7时的最优速度反馈控制规律,计算结果表明:在最优速度反馈控制规律作用下与未受控圆柱相比,振动幅值由0.736降低为0.194,减少了73.6%,显著抑制了圆柱的涡激振动。并且与传统的比例控制规律相比,在具有相同的损失函数值的情况下,遗传规划找到的反馈控制规律能够更有效地抑制涡激振动幅值。     

浪流共同作用下隔水管涡激动力响应分析

隔水管是海洋浮式生产系统中的重要附属设备.为了探讨在波浪海流共同作用下隔水管的动力响应及进行涡激振动分析,文中给出了三维空间中隔水管运动的控制方程,其中以Matteoluca改进的Vanderpol尾流振子模型为基础计算涡激振动时隔水管与流体之间的相互作用.利用Hermite插值函数对隔水管的运动方程进行有限元离散,采用Newmark方法求解隔水管的动力响应.同时绘出了不同外界条件下相应的位移分布的包络线以及横向涡激振动响应曲线.计算结果表明,所采用的方法正确、有效,可以为隔水管的生产设计及理论分析提供依据.     

钢桥塔裸塔状态涡激振动的TLD减振方法研究

利用TLD（Tuned Liquid Damper）对高耸钢桥塔进行振动控制,有效解决了桥塔建设过程中的安全问题和舒适度问题。本文讨论了TLD减小涡激振动的减振机理,给出了TLD对结构控制力的解析表达式,求出了TLD控制时时结构的位移响应,推导了结构安装TLD后结构的等效阻尼比。最后考察了TLD减小钢桥塔涡激振动中的具体应用,可有效减小钢桥塔在涡激振动下的位移和加速度反应。     

低雷诺数下近自由液面圆柱流致振动数值模拟与机理

采用嵌入格子-玻尔兹曼方法和自由液面模型的XFlow软件对低雷诺数Re=100下近自由液面圆柱垂向流致振动问题开展数值模拟与机理研究。根据圆柱涡脱落特性和圆柱周围液面形态将浸没比h^*∈［0,5］和弗劳德数Fr∈［0.3,2］的参数空间划分为6种不同的流态,研究不同流态下圆柱振动特性和振动-涡脱落-自由液面耦合作用。结果表明,圆柱振幅和振动频率都随自由液面的靠近而降低,而当自由液面非常靠近圆柱时,尾迹状态从绝对不稳定性转为对流不稳定性,圆柱与自由液面之间形成的射流状流动附着在圆柱表面上,抑制了涡脱落过程,导致圆柱不再振动。     

小倾角倾斜柔性圆柱涡激振动实验研究

海洋工程中柔性圆柱结构疲劳破坏的主要诱因是海流引起的涡激振动。垂直来流作用下柔性圆柱涡激振动研究已取得诸多成果,然而在实际工程中,圆柱轴向与海流并不完全垂直,存在一定倾斜角度。针对这种普遍现象,学术界提出了倾斜圆柱涡激振动的不相关原则,但其正确与否至今存在争议。本文设计了室内模型实验,开展了长径比350,雷诺数800~16 000,质量比1.9,倾斜角度为15°的柔性圆柱涡激振动实验,通过对比垂直圆柱与小倾角倾斜圆柱的实验结果发现,在模态转化区域外不相关原则适用于小倾角倾斜柔性圆柱涡激振动分析,同时观测到在模态转化区倾斜圆柱更容易激发高阶模态。     

并列双柱圆柱体在均匀流场中的涡激振动

讨论了并列双柱圆柱体在均匀流场中的涡激振动。依据已发表的有关该课题的实验与理论资料,提出了一种关于并列双柱圆柱体在均匀流场中涡激振动的理论预报模型。将理论计算值与资料所提供的实验值进行比较后,发现理论值与实验值尚能吻合。为了验证理论预报模型的正确性,作了实验观察,发现理论预报的涡激振动现象与实验中所出现的吻合良好。为了更好地掌握双柱涡激振动的机理,进行了结果分析和讨论。     

随行波微结构表面圆柱涡激振动的抑振研究

涡激振动易诱发非流线型物体发生结构失稳或疲劳损坏,为抑制涡激振动而提出一种随行波微结构表面的方案。通过非定常流体数值计算方法求解分析雷诺数为10 000时普通表面圆柱和随行波微结构表面圆柱的振动特性。定义随行波微结构表面参数;采用Newmark-β法求解单自由度圆柱振动方程并编写CFD数值计算的UDF,计算采用k-ω/SST湍流模型和SIMPLEC算法,并结合动网格技术模拟圆柱的振动过程。研究结果表明:相比于普通表面的圆柱,随行波微结构表面圆柱具有较为显著的抑振效果,振动幅度减小约为92. 97%。本文研究结果可为柱体或管状结构涡激振动的抑振提供参考。