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。     

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。     

T形截面振子的驰振特性试验研究

T形振子的流致振动响应表现出了"非自限制"特性,随着流速的增大出现驰振现象,振动增强,有利于能量利用。但T形振子在复杂环境条件及自身截面变化条件下的研究尚未开展。基于此,进行了T形振子的试验研究,旨在探索其流致振动完整响应规律及在不同截面高宽比下的响应差异,具体结论如下:与三棱柱振子类似,T形振子也存在硬、软驰振现象,阻尼比较大时,出现硬驰振现象,而阻尼比较小时出现软驰振现象;软驰振响应中,振子的驰振具有自激发特性,由涡激振动激发而成;硬驰振响应中,振子需外力才可激发驰振;随着截面高宽比的增大,振动响应逐渐由硬驰振转化为软驰振,且驰振分支中振幅与频率均有所降低。     

大跨度缆索承重桥并列索尾流激振研究

近距离并列索(并列吊索和并列斜拉索)在大跨度缆索承重桥中应用广泛,下游索常会发生尾流致涡激共振、尾流驰振和尾流颤振等尾流激振。以间距为4 D(D为圆柱直径)的串列和错列双圆柱的尾流致涡激共振和尾流驰振为研究对象,在风攻角为0°~20°的条件下,主要通过风洞试验研究了下游圆柱发生尾流激振的起振条件、振动幅度和运动轨迹,研究了提高结构阻尼比的减振效果,讨论了尾流驰振的雷诺数效应,结合静止双圆柱绕流场的大涡模拟结果对尾流干扰机理进行了探讨。研究表明:在某些风攻角下,下游圆柱的尾流致涡激共振振幅远大于单圆柱涡激共振振幅;在0°以外的其他风攻角下,下游圆柱均发生大幅尾流驰振,但小攻角(5°和10°)与大攻角(20°)下的尾流驰振现象有明显差别,很可能存在不同的流场激励机理;风攻角为15°时,下游圆柱的尾流驰振有明显的雷诺数效应,其动力响应特性与经典驰振不同,下游圆柱起振后的振幅和运动轨迹随雷诺数(风速)的增大呈现复杂的变化形态;提高结构阻尼比可有效抑制下游圆柱的尾流致涡激共振,但对尾流驰振的减振效果不佳。     

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。     

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。     

正三角形排列刚性耦合三圆柱涡激振动特性及尾涡模式

采用基于嵌入式迭代的浸入边界法对等边三角形排列的刚性耦合三圆柱涡激振动进行了数值模拟研究。其中一个圆柱在上游放置,另外两个圆柱并排放置于下游,圆柱间刚性连接,系统仅在横向自由振动。圆柱间距比L~*分别为1.0、1.6、2.5和4.0,雷诺数为Re=100,质量比为m~*=2.0,折合流速为U_r=3.0~30.0。分析了不同间距比下圆柱振幅、流体力、振动频率和脱涡模式等。研究发现,随U_r的增大,各间距比下的振动响应均可划分为初始分支(initial branch,IB)、下端分支(lower branch,LB)和非锁定区域(desynchronized region,DS)。其中,非锁定区域又可进一步分为前非锁定区域(DS1)和后非锁定区域(DS2)。随折合流速的增大,圆柱振幅整体上先增后减,而随间距比的增大,圆柱振幅则先减后增。圆柱的最大振幅(A~*=1.11)出现在L~*=1.0、U_r=8.0处。当L~*=1.0、1.6和2.5时,圆柱振动存在锁定区间,振动频率锁定在固有频率附近,而L~*=4.0时,圆柱的振动频率随折合流速增大线性增大,不存在锁定区间。当L~*=2.5时,在DS2分支上,圆柱振动出现了两个强度相当、频率不同的分量,分别为低频驰振分量与高频涡振分量,而且由于复杂的柱间流体结构使得三圆柱升力频率存在较大差异。当L~*=1.6时,在DS分支上,圆柱下游出现宽-窄尾流,导致了下游圆柱所受升阻力均值和升力均方根不相等。     

刚性联结串列双圆柱尾流致涡激振动研究EI北大核心CSCD

为了研究刚性联结对串列双圆柱尾流致涡激振动的减振效果及其流场作用机理,以圆心间距为4D(D为圆柱直径)的无联结及刚性联结串列双圆柱为研究对象,在雷诺数Re=150时,采用数值模拟方法研究了刚性联结对圆柱振幅、振动轨迹和锁振区域的影响规律,分析了振动响应和气动力之间的内在联系,探讨了两类圆柱振动差异背后的流场机理。研究表明:刚性联结对串列双圆柱的尾流致涡激振动有一定的减振作用,提高了发生涡激振动的起振风速,减小了发生涡激振动的折减速度范围,降低了下游圆柱的振幅,但上游圆柱振幅略有增加。发生尾流致涡激振动时,无联结串列双圆柱和刚性联结串列双圆柱的的流固耦合机制不同,两者的尾流模态有很大差异。     

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。     

正方形截面振子在不同来流方向的单自由度流致振动特性研究

在自循环水槽进行了正方形截面振子的流致振动试验研究,分析了不同来流角度下的振子响应特征,探讨了有利于能量转换的角度安排,阐释了系统刚度与质量因素对该响应的基本影响,并拟合得到了不同来流角度下的斯特罗哈尔数St。结果表明:来流角度为零条件下的振子响应为驰振主导,而来流角度非零条件下的振子响应为涡激振动主导;低流速时,来流角度大有助于振子对涡激振动能量的汲取,而高流速时,来流角度为零有助于振子对驰振能量的汲取;振动振幅受刚度与质量的影响显著,但频率则几乎不受刚度与质量的影响;来流角度为30°和45°时,St较接近,约0.14,来流角度为15°时,St约0.16。     

三角分布的海洋立管涡激振动数值分析

基于格子Boltzmann粒子网格技术,采用XFlow求解器对三角分布的海洋立管进行涡激振动数值模拟。运用二阶范德波尔方程描述二维圆柱横向单自由度涡激振动,研究了三圆柱间距比及来流约化速度对圆柱涡激振动特性的影响,圆柱间距比取L/D=0.5、2.0、4.0,来流约化速度为U_(r )=1～9;分析了圆柱涡激振动的振幅、升阻力系数特性及圆柱尾流中旋涡脱落模式。结果表明:圆柱间距比为L/D=0.5、2.0、4.0时对应的上游圆柱涡激振动的锁振区间分别为U_(r )=3.5～7.0、3.5～7.5、3.5～6.0,最大振幅分别为Y_(rms)/D=0.372, 0.546, 0.470。间距比过大或过小时,其流体流动模式分别受接近效应和尾流效应的影响,中间间距比时,在非锁振区间内,其流体流动模式受两者组合效应的共同影响,在锁振区间,其流体流动模式同大间距比一样主要受尾流效应的影响;流体干涉效应的变化对圆柱升阻力系数的变化起着重要的作用,不同间距比,圆柱升阻力系数的变化趋势相似。     

波浪锥型圆柱流固耦合振动机理研究EI北大核心CSCD

为增强及控制无叶片风力俘能结构能量采集效率,该研究将表面结构斜率参数引入波浪型圆柱,发展了一种新型波浪锥型圆柱,试验研究在雷诺数Re=3900下不同波长比、波幅比、斜率参数的波浪锥型圆柱涡激振动响应特性。研究发现:在不同折合流速下,斜率k=0.05的锥型圆柱和波长比λ/D _(m)=1.75、波幅比α/D _(m)=0.10、斜率k=0.05的波浪锥型圆柱最大振幅较直圆柱分别增长26.4%和12.6%,且锁频区间得以拓展;当折合流速在锁频区间内时,在波浪锥型圆柱绕流尾流中观察到了“2S”、“2P”漩涡脱落模式,并且“2P”漩涡脱落模式在往下游发展的过程中有转变为“2C”模式的趋势。该研究可为无叶片风力俘能结构涡致振动的增大和发电效率的提升提供理论支持。     

基于拓扑网格方法的多钝体流致振动分析

多钝体流致振动是一个较为复杂的流固耦合过程,普遍存在于自然界和工程领域。为了减小高幅振动时网格变形引起的计算误差,基于非定常Navier-Stokes方程对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱流致振动进行数值求解,采用耦合界面结合拓扑网格变形技术,实现流体与多个运动钝体之间的耦合计算。将数值结果与实验进行比较分析,验证了该数值方法是处理高振幅多钝体流致振动的有效方法。研究结果表明上游圆柱的存在对下游圆柱流致振动和旋涡形成产生明显影响。串列双圆柱流致振动振幅和频率响应与实验测试趋势一致,清晰观察到了涡致振动初始分支和上部分支;并且当Re8×10~4时,圆柱流致振动由涡致振动向驰振过渡。圆柱尾涡形态随流致振动分支切换发生变化,当驰振发生时,下游圆柱的尾涡形态受上游圆柱影响难以捕捉。随着双圆柱间距增大,低Re时下游圆柱受到上游圆柱的抑制作用减弱。三维多柱体流致振动计算结果更接近实验值,如何提高三维数值计算速度将是下一步研究工作的重点。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高雷诺数范围内不同形状柱体流致振动特性研究

流致振动是自然界和工程领域中普遍存在的一种流固耦合现象,其流固耦合过程非常复杂,涉及许多科学上的难题,一直是国际前沿研究热点之一。针对不同截面形状柱体的流致振动进行数值计算,研究高雷诺数范围内(30 000≤Re≤110 000)柱体流致振动特性,分析柱体振幅、频率和尾迹旋涡形态。结果表明,粗糙表面圆柱和类梯形柱Ⅰ的的流致振动响应强于其他形状柱体,最大振幅达到3.5D。圆柱、方柱、三角柱和类梯形柱Ⅰ的流致振动随来流速度变化均观察到明显的涡致振动初始分支、上部分支和驰振。类梯形柱Ⅱ出现高频低幅振动,未观察到明显的振动分支。另外,柱体流致振动振幅和频率与尾迹旋涡形态紧密相关,在不同的振动分支,尾迹呈现出不同的旋涡形态。