小间距比下串列双圆柱涡激振动数值模拟研究:振动响应和流体力

对小间距比(L*=1. 1～1. 5)下串列双圆柱涡激振动进行了数值模拟研究,其中Re=100,折合流速为U_r=3～30,质量比为m*=2. 0。为保证圆柱之间的距离不变,两圆柱均仅作横向振动。根据圆柱响应的不同将间距比范围内的涡激振动分为三种:(1)间距比L*≤1. 1时,响应存在于较大的折合流速(U_r=4～28)范围内;(2)间距比L*=1. 2～1. 3时,在大折合流速时,类似于高雷诺数时的尾流弛振出现;(3)间距比L*≥1. 5时,响应随折合流速增加并达到最大值,之后随折合流速缓慢减小,并最终稳定在较大的幅值上。对应不同的响应类型,上游和下游圆柱的流体力也呈现不同的变化;由于受到上游圆柱的屏蔽,下游圆柱的阻力均值要明显小于上游圆柱;在出现尾流弛振的区域,两圆柱的升力均方根随折合流速增加;此外,某些折合流速下圆柱之间的非稳定耦合作用也被反映出来。     

小间距比下串列双圆柱涡激振动数值模拟研究:振动响应和流体力EI北大核心CSCD

对小间距比(L*=1. 1～1. 5)下串列双圆柱涡激振动进行了数值模拟研究,其中Re=100,折合流速为U_r=3～30,质量比为m*=2. 0。为保证圆柱之间的距离不变,两圆柱均仅作横向振动。根据圆柱响应的不同将间距比范围内的涡激振动分为三种:(1)间距比L*≤1. 1时,响应存在于较大的折合流速(U_r=4～28)范围内;(2)间距比L*=1. 2～1. 3时,在大折合流速时,类似于高雷诺数时的尾流弛振出现;(3)间距比L*≥1. 5时,响应随折合流速增加并达到最大值,之后随折合流速缓慢减小,并最终稳定在较大的幅值上。对应不同的响应类型,上游和下游圆柱的流体力也呈现不同的变化;由于受到上游圆柱的屏蔽,下游圆柱的阻力均值要明显小于上游圆柱;在出现尾流弛振的区域,两圆柱的升力均方根随折合流速增加;此外,某些折合流速下圆柱之间的非稳定耦合作用也被反映出来。     

正方形顺排排列四圆柱流致振动响应研究

对间距比s/D=5.0正方形顺排排列四圆柱流致振动进行了数值模拟研究,圆柱仅横流向振动,雷诺数为Re=100,折合流速为U_r=2.0~50.0。研究发现,上游两圆柱的响应与单圆柱涡激振动相似,呈现出明显的初始分支和下端分支。上游两圆柱的振幅均在折合流速U_r=4.4时达到最大值Y_(max)/D=0.56,与单圆柱涡激振动最大振幅Y_(max)/D=0.57相近。下游两圆柱的振幅在折合流速U_r=7.9时达到最大值Y_(max)/D=0.997,比单圆柱涡激振动最大振幅增大了74.8%。正方形顺排排列四圆柱流致振动响应中出现了三个不对称区间,分别为第一不对称区间4.5U_r5.9、第二不对称区间6.9U_r7.2和第三不对称区间U_r10.5。圆柱不对称的振动响应特性和圆柱间隙流稳定偏斜有关。     

刚性耦合三圆柱流致振动特性和机制EI北大核心CSCD

采用迭代式浸入边界法对刚性耦合三圆柱的流致振动进行了数值模拟研究。三圆柱按照等边三角形排列,上游两个并排圆柱,下游一个圆柱。圆柱间距比为P/D=1.0~4.0,雷诺数为Re=100,质量比为m=2,折合流速为U_(r)=3~30。通过研究圆柱的振幅、频率和流体力随折合流速的变化规律,发现了两种不同的振动模式,即小间距比条件(P/D=1.0)下的驰振模式和中、大间距比条件(P/D=1.6~4.0)下的涡激振动模式。而涡激振动模式在不同的间距比条件下又具有单锁定区间(P/D=1.6)和双锁定区间(P/D=2.5~4.0)两种不同振动特征。进一步分析尾流模式,发现第一锁定区间(含单锁定区间)内的振动响应由剪切层重附着机制激发,而第二锁定区间内的振动响应由交替尾涡泄放机制激发。     

小间距比下串列双圆柱涡激振动数值模拟研究:尾流和耦合机制

对小间距比(L*=1. 1～1. 5)下串列双圆柱涡激振动的尾流和耦合机制进行了全面的研究,其中Re=100;两圆柱均仅作横向振动。对尾流的研究发现,当间距比L*=1. 1～1. 3时,小折合流速时对应经典的卡门涡街,而折合流速较大时,尾流则变得混乱起来,难以分辨其模式;当间距比L*=1. 5时,尾流均为规律的2S模式。耦合机制分析发现,串列双圆柱平衡位置差的变化促成了在间距比L*=1. 1时广折合流速响应的存在;而多频成分参与的不稳定耦合作用成为在间距比L*=1. 2～1. 3时类尾流弛振现象的诱因;大振幅响应在间距比L*=1. 5时得以持续的动力则源于上游圆柱脱落旋涡产生的低压区和下游圆柱低频的运动;此外,一种新的平衡位置间歇跳跃现象在间距比L*=1. 1和折合流速U_r=15时出现,且响应在上侧的新平衡位置能稳定更长的时间。     

横流向热浮升力对并列双圆柱流致振动的影响EI北大核心CSCD

采用浸入边界法对横流向热浮升力作用下并列双圆柱的流致振动进行数值模拟研究。详细总结了理查森数Ri=3条件下并列双圆柱的最大振幅、时均位移、升阻力系数、频率特性和尾流模式等随间距比及折合流速的变化规律。研究发现:在横流向热浮升力作用下,并列双圆柱振幅和升、阻力系数呈现不对称特点,振动响应除出现涡激振动外,在更高折合流速下出现驰振;圆柱振动平衡位置相对其初始位置均发生与热浮升力反向的偏移,偏移量随折合流速增大而增加;在涡振阶段,并列双圆柱尾流场表现出稳定的宽窄尾流模式,两个圆柱的泄涡基本保持反相同步;在驰振阶段,尾流场表现为同相同步模式,圆柱的振动响应出现了倍频锁定现象。     

涡激振动驱动的柱群结构俘获海流能的稳定性分析

基于海流能发电涡激振动驱动俘获能量这一想法,对耦合连接的四圆柱结构在均匀海流流速下的自由涡激振动进行模拟发现:振动结构的响应幅值在较大和较小约化速度下,随组合间距比LH/D~2的变化相差较大。因此对U_r=5.71和U_r=14.29两种约化速度下结构位移幅值谱图、升力特性、相位差进行分析,结果表明:U_r=5.71时,不同间距比下各圆柱升力与位移间的相位角Φ不同,存在明显的主频且按较规则的正弦规律变化,四个圆柱对结构的振动都起激励作用,各圆柱俘获的水动能或转移到水流中的机械能相对稳定;而U_r=14.29时,各圆柱升力波动不规则,升力频率成分复杂,升力位移间的相位角Φ不明显,各圆柱俘获水动能不稳定,对结构振动起主要作用的是下游两圆柱。分析结果对柱群结构俘获海流能时其约化速度范围的确定有参考价值。     

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。     

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。     

质量比对近壁面两向自由度圆柱涡激振动的影响

该研究系统地考察质量比对两向自由度近壁面圆柱涡激振动(VIV)的影响。圆柱的质量比为m~*=2,10和20,间隙比、雷诺数和折合流速分别为G/D=0.6,Re=100和U_r=3～12。为使圆柱获得更大的振幅,将系统阻尼比设为零。研究发现,随质量比的增加,圆柱的振动开始于更高的折合流速,且振幅更小一些。由于受到壁面边界层的影响,圆柱运动轨迹为雨滴型,但当m~*≥10且折合流速较小时,运动轨迹呈现为类8字型。对尾流模式来说,当振幅较小时,均为1S模式;而振幅较大时,为C+S模式或2S模式;迟滞发生后,m~*=2工况为1S模式,而m~*≥10工况为稳定尾流。此外还发现,圆柱涡激振动的迟滞现象与壁面边界层重复着的双稳态性有关。当增折合流速时,壁面边界层周期性地重复着于圆柱上表面,对圆柱上侧剪切层的发展起到了显著的促进作用,从而激励了更大的振幅;而当减折合流速时,壁面边界层从圆柱下侧通过,抑制了下侧剪切层发展。     

悬索桥双吊索尾流致涡激振动的大涡模拟

双吊索在大跨度悬索桥上应用广泛,在强/台风作用下,下游吊索常发生尾流激振。采用大涡模拟法,对雷诺数为1×10~4～4×10~4的串列双圆柱尾流致涡激振动进行数值模拟,研究了振动特性和流场流态随折减风速的变化规律,探讨了下游圆柱的动力响应、绕流场特性以及气动力三者之间的耦合关系,分析了尾流致涡激振动的流场干扰机理。结果表明:大涡模拟结果与风洞试验结果吻合良好,在某些折减风速范围内,下游圆柱会发生较大幅度的尾流致涡激共振;在下游圆柱的横风向振幅逐渐增大过程中,位移的瞬时相位领先于升力,在一个振动周期内升力对下游圆柱做正功,而位移与升力之间的相位差则逐渐增大;当发生涡激共振时,上游圆柱的尾流对下游圆柱有两种干扰形式:当下游圆柱偏离平衡位置时,从上游圆柱脱落的旋涡与下游圆柱的剪切层发生相互作用;而当下游圆柱在平衡位置附近时,上游圆柱的旋涡会撞击到下游圆柱迎风面。     

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。     

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。     

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。     

均匀流场串列双Π型断面涡激振动气动干扰试验研究

针对串列双Π 型断面涡激振动气动干扰效应,对不同间距比、不同阻尼比条件下,上下游Π 型断面在均匀流场中涡激振动气动干扰效应进行风洞试验研究,并将上下游Π 型断面涡激振动锁定区间、涡激振动振幅分别与单幅Π 型断面进行了对比。结果显示：上下游Π 型断面涡激振动锁定区间基本不随间距比、阻尼比变化而变化,上下游Π 型断面的涡激振动振幅则随间距比和阻尼的变化而变化。上游断面涡激振动气动干扰效应主要受间距比D/B 的影响,当间距比D/B=0.5~1.0 时,对上游断面涡激振动干扰效应最为明显;下游断面涡激振动气动干扰效应主要受上游断面涡激振动振幅影响;随着双幅断面间距比增加,这种干扰效应逐渐减弱。     

低雷诺数下直圆柱和波型圆柱受迫振动的数值研究EI北大核心CSCD

对低雷诺数下(Re=150)的直圆柱和波型圆柱在均匀来流中横向受迫振动问题进行了数值模拟研究。通过改变运动圆柱的振动频率和振幅,对比分析直圆柱和波型圆柱所受的升阻力,确定各自的锁定区间并分析在锁定状态下升力及尾涡的变化特性。数值结果表明:虽然波型圆柱在静止情况下能够完全抑制卡门涡街,但在受迫振动下其升阻力随振动频率的变化趋势与直圆柱相似;波型圆柱对升力和阻力的抑制分别体现在低频和高频段;升力曲线在锁定和非锁定状态下表现不同;锁定状态下,直圆柱尾流区的泻涡模式由振动频率控制,观察到2S和C(2S)两种模式;波型圆柱尾流区观察到唯一一种泻涡模式。     

低雷诺数下直圆柱和波型圆柱受迫振动的数值研究

对低雷诺数下(Re=150)的直圆柱和波型圆柱在均匀来流中横向受迫振动问题进行了数值模拟研究。通过改变运动圆柱的振动频率和振幅,对比分析直圆柱和波型圆柱所受的升阻力,确定各自的锁定区间并分析在锁定状态下升力及尾涡的变化特性。数值结果表明:虽然波型圆柱在静止情况下能够完全抑制卡门涡街,但在受迫振动下其升阻力随振动频率的变化趋势与直圆柱相似;波型圆柱对升力和阻力的抑制分别体现在低频和高频段;升力曲线在锁定和非锁定状态下表现不同;锁定状态下,直圆柱尾流区的泻涡模式由振动频率控制,观察到2S和C(2S)两种模式;波型圆柱尾流区观察到唯一一种泻涡模式。     

基于模型试验的张力腿平台涡激运动特性研究

采用模型试验方法,研究了雷诺数为2.5×10~3~2×10~4范围内张力腿平台的涡激运动问题。试验中设计了一套考虑水平和垂向系泊刚度的锚泊方案,捕捉到涡激运动中的"锁定"和"两支"等现象;试验结果表明:横流向和顺流向均发生了频率锁定现象,横向达到锁定范围的折合速度为U_r=4.0~7.0,顺流向为U_r=6.0~7.0,且横向运动居主导地位;在U_r≤4.0的非锁定区,涡激升力模型满足斯特哈尔关系;而当U_r4.0时,该公式不再适用。试验结果也表明:流向角是影响平台运动轨迹的关键因素,当流向角为0°时,平台运动呈正"8字形";15°时,运动轨迹为"香蕉形";45°时,为略向左侧弯曲的扁"8字形"。     

两类串列圆柱涡激振动的质量比效应

为进一步澄清两类串列双圆柱(上、下游圆柱均可做顺流向和横流向的两自由度振动,上游圆柱静止、仅下游圆柱可作两自由度振动)尾流致涡激振动的质量比效应,在雷诺数Re=100、中等间距(间距比P/D=4,P为两个圆柱的柱心间距,D为圆柱直径)、3种质量比(m*=2,10,20)条件下,开展了串列双圆柱涡激振动的数值模拟研究,重...     

近平板圆柱涡激振动风洞试验研究EI北大核心CSCD

此次研究对水平板附近低质量比(m*=43.6)圆柱的涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)问题开展了风洞试验,其中圆柱与平板的间隙范围为0≤S/D≤2.5。结果表明:当S/D=0时,随着约化速度U*的增加,圆柱始终保持静止;当0相似文献