并列刚性双圆柱流激振动风洞试验研究EI北大核心CSCD

通过风洞试验研究了弹性支撑条件下并列刚性双圆柱的流激振动,试验雷诺数范围Re=3200~36200。圆柱间距比S/D=1.5~4.0,其中S为两圆柱圆心间距,D为圆柱直径。结果表明:随着间距的变化,并列双圆柱的振动幅值呈现涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)和尾流耦合涡激振动(wake-coupled vortex-induced vibration,WCVIV)模式。WCVIV发生在间距比S/D≤3.0时,此时双圆柱之间相互干涉作用较强,双圆柱振动幅值响应呈现不一致性,振动位移之间表现为同相位或反相位耦合特征,圆柱尾流场对称点的涡脱频率也不相同,尾流呈现不对称性。而VIV发生在间距比S/D=3.5~4.0时,此时双圆柱相互独立,其振动幅值和涡脱频率几乎相同,尾流的不对称现象消失,振动位移之间相位差不再近似等于恒定值而是随时间周期性的“划动”。无论发生WCVIV还是VIV,振动频率的主频均锁定于1倍的固有频率。     

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。     

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。     

小直径附加圆柱对圆柱涡激振动抑制的参数优化

采用基于迭代嵌入式浸入边界法对后方对称布置两个小直径圆柱的单圆柱涡激振动进行了数值模拟研究,对涡激振动抑制进行了参数优化。雷诺数和圆柱直径比分别为Re=100和d/D=0.125,其中D和d分别为大、小圆柱直径。通过改变控制角度(θ)、主圆柱与小圆柱的间隙比(G/D)、小圆柱旋转角速度和旋转方向(α)和阻尼比(ζ)确定的最优控制参数组合为θ=25°、G/D=0.125、α=-2.2和ζ=1.02。小圆柱的旋转角速度和旋转方向对圆柱振幅有一定的影响,其中内向反转会进一步抑制圆柱的振动,外向反转则恰好相反。随着阻尼比的增加,圆柱振幅先增后减,但影响程度较小。     

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...     

低雷诺数下串联双圆柱涡激振动机理的数值研究

利用有限元数值方法求解不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程,结合任意拉格朗日-欧拉（ALE）动网格方法,对低雷诺数下（Re = 150）等直径串联圆柱的涡激振动问题进行了数值模拟研究。其中上游圆柱固定,下游圆柱在弹簧和阻尼作用下允许同时发生顺流向和横流向的运动。在约化速度Ur = 3.0 ~ 12.0的范围内（阻尼比ξ = 0.007）研究了两圆柱圆心间距比（LX / D = 3.0、5.0、8.0）及圆柱质量比（m* = 5.0、10.0、20.0）对下游圆柱的运动响应及受力的影响。数值结果表明,圆柱间距比的变化会导致锁定区间的变化,进而影响到圆柱涡激振动的位移响应和受力特性。这些方面都与尾流区涡旋脱落模式密切相关,体现了双圆柱间干涉作用对涡激振动的影响。进一步的研究表明,圆柱质量比的变化对以约化速度表征的锁定区间、运动响应和尾流模式等都有一定的影响作用。     

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。     

后置分流平板对并列双圆柱流场特性的影响

数值模拟了Re=200情况下分流板对并列双圆柱流场的影响,并列双圆柱的间距比为1.5 D(D为圆柱的直径),分流板放置在并列双圆柱下游中心线G/D=0.5～1.5的位置;采用有限元法进行数值求解.计算表明,在合适的位置分流板可以抑制并列圆柱后的偏流,减小升阻力.分流板并不能很好地控制旋涡脱落但有一定的削弱作用.     

均匀流场中串列阶梯圆柱流致振动试验研究EI北大核心CSCD

采用试验方法研究了均匀流场中雷诺数570~5000内串列阶梯圆柱的流致振动现象,阶梯圆柱的覆盖率为R=50%,直径比为D/d=1.5。试验过程中,上游圆柱固定,下游圆柱可沿横流向自由振动。考虑了s/D=2,4,8,16四种间距比和上、下游阶梯圆柱同相布置和反相布置两种情况。结果表明:间距比对于串列阶梯圆柱间的相互作用有着明显的影响,间距比的变化会改变柱间流动模式,导致下游圆柱的振动特性发生改变;对于反相布置,在小间隙比和高折合流速的条件下,下游阶梯圆柱发生尾流驰振,振幅随着折合流速的增加而显著增加;而当间距比s/D≥8后,外形相位的影响则可以忽略。     

矩形柱二维尾流的稳定性研究

采用实验和数值模拟两种方法对长宽比为3∶1的矩形柱尾流进行了稳定性研究.实验发现当雷诺数接近临界值时,未加扰动的矩形柱尾流呈二维定常状态.当在柱体上游一定位置和下游靠近柱体的位置上沿垂直于来流方向施加一个宽度很小的短时脉冲射流扰动以后,扰动随时间放大,并出现旋涡脱落现象,并且这种扰动激发的旋涡脱落可以持续很长时间,不会衰减.而在下游较远处施加同样的扰动时,扰动将会衰减,不能激发出持续的旋涡脱落.数值模拟再现了上述实验结果,并且表明,当扰动强度(脉冲射流出口速度)较小时,不会出现持续的规则旋涡脱落,只有当扰动强度达到一定阈值时,旋涡脱落才能被激发.     

圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究

采用粒子图像测速技术对630、800及950三种雷诺数条件下的圆柱绕流场进行了实验,给出了圆柱下游沿流动方向4倍圆柱直径和垂直方向3倍圆柱直径区域内的速度场、涡量场以及涡脱落现象的时空演化规律.结果表明:圆柱尾流区域位于垂直方向约1.5~2.5倍圆柱直径范围内,随着雷诺数增大,这一范围呈现缩小趋势,而主流对涡的拉伸和输运能力有所增强;涡脱落频率随雷诺数增大而增大,小雷诺数时能够较为完整地捕捉到涡生成、脱落、发展和耗散过程,由于PIV采集频率的限制,大雷诺数条件下涡脱落整个过程不易被完整捕捉到.     

串列双圆柱静止绕流的二维数值仿真分析

利用CFX软件建立二维流场模型,采用有限体积法针对串列双圆柱的静止绕流现象进行了数值模拟计算。首先计算了雷诺数Re=200,不同间距时上下游圆柱的斯托罗哈数,并与参考文献的计算结果进行了对比,证明了该文计算的可靠性。然后分析了不同间距时上下游圆柱的升力系数和阻力系数的变化特点,得出了Re=200时双圆柱绕流的临界间距在3.375D~3.5D之间。最后通过对不同间距下流场变化的研究得出:上下游圆柱的间距小于临界间距时,上游圆柱不存在旋涡脱落;超过临界间距时,上游圆柱出现旋涡脱落;下游圆柱始终存在旋涡脱落现象。研究成果能够为计算流体力学和空气动力学技术的发展提供理论基础。     

Acoustically generated unsteady vorticity field in a long narrow cylinder with sidewall injection

Asymptotic and computational analyses of a well-posed initial-boundary-value problem are used to describe the time history of co-existing acoustic and rotational velocity disturbances in a long, narrow cylinder with uniform steady sidewall mass injection. Transient planar pressure disturbances prescribed on the open exit plane of the cylinder are the source of acoustic disturbances in the axisymmetric flow. Both the asymptotic and numerical solutions describe the nonlinear aspects of the flow interactions. The full computational results are compared favorably with those of the asymptotic study to show that; (1) transient vorticity is generated near the injection surface and is transported into the cylinder by the radial velocity component of the flow field, (2) at any sufficiently small value of time, a well defined front separates the fluid containing transient vorticity from a flow field in the interior of the cylinder containing a much smaller amplitude vorticity and, (3) at sufficiently large values of time, vorticity is present throughout the cylinder. In addition, the analytically derived acoustic solution obtained from the asymptotic analysis is used to show that the present numerical solution and all earlier studies of similar problems are missing travelling waves (eigenfunctions) which should be present in a complete mathematical solution of the defined initial-boundary-value problem.     

小控制杆对矩形柱尾流旋涡脱落的抑制

采用小控制杆方法对主柱宽厚比B/H为2.0和3.0的两种矩形柱尾流的旋涡脱落进行了抑制实验.实验在风洞中进行,雷诺数(Re)范围为1.5×103至5.5×103,控制杆与矩形柱长度相同,两者相互平行放置.对三种不同宽度的控制杆进行了实验,小杆宽厚比分别为b/H=0.2,0.32和0.4.流动显示和热线测量结果表明:在柱体附近存在一个有效区,控制杆位于此区内时,柱体两侧的旋涡脱落被抑制.另外还存在一个单侧有效区,当控制杆位于该区内时,柱体一侧的旋涡脱落被抑制,而另一侧未被抑制,形成"单侧旋涡脱落现象".文中还研究了小杆宽厚比、矩形柱宽厚比和雷诺数对有效区和单侧有效区的影响,发现b/H增大时,有效区和单侧有效区不是扩大,而是有所缩小;当B/H增大时,有效区和单侧有效区扩大,而且有效区由一个变为两个;Re增大时,有效区和单侧有效区略有缩小.     

Shear flow past a square cylinder near a wall

A numerical study on the wake behind a square cylinder placed parallel to a wall has been made. The cylinder is considered to be within the boundary layer of the wall, so that the outside flow is taken to be due to uniform shear. Flow has been investigated in the laminar Reynolds number (based on the cylinder height) range. The interaction of wall boundary layer on the vortex shedding at Reynolds number up to 1400.0 has been investigated for cylinder to wall gap height 0.5 and 0.25 times the cylinder height. The gap flow between the cylinder and wall during a period of vortex shedding has been obtained. The governing unsteady Navier–Stokes equations are discretised through the finite volume method on staggered grid system. An algorithm SIMPLE has been used to compute the discretised equations iteratively. Our results show that at the gap height 0.5 times the cylinder height the vortex shedding occurs at a Strouhal number greater than for an isolated cylinder. Vortex shedding suppression occurs and wake becomes steady up to a certain value of Reynolds number at gap height 0.25 time the cylinder height. At higher Reynolds number the formation of a single row of negative vortices behind the cylinder when it is in close proximity to wall is noteworthy. Due to the shear, the drag experienced by the cylinder is found to decrease with the reduction of gap height.     

Computational study of unsteady viscous flow around a transversely and longitudinally oscillating circular cylinder in a uniform flow at high reynolls numbers

A finite difference simulation method for the time dependent viscous incompressible flow around a transversely and longitudinally oscillating circular cylinder at Reynolds numbers of Re=4×10³ and 4×10⁴ is presented. The Navier-Stokes equations in finite difference form are solved on a moving grid system, based on a time dependent coordinate transformation. Solution of the vortex street development behind the cylinder is obtained when the cylinder remains stationary and also when it is oscillating. Time eholution of the flow configuration is studied by means of stream lines, pressure contours and vorticity contours. The computer results predict the lock-in phenomenon which occurs when the oscillation frequency is close to the vortex shedding frequency in the transverse mode or around double the vortex shedding frequency in the longitudinal mode. The time dependent lift and drag coefficients are obtained by the integration of the pressure and shear forces around the body. The drag, lift and the displacement relations are also discussed.     

附加整流装置的圆柱体涡激振动数值研究

对附加不同整流装置的圆柱体横向单自由度涡激振动特性进行了系统研究。重点分析了约化速度3.0≤U_r≤12.0范围内,附加不同整流装置的圆柱振动幅值,受力系数,振动频率和泻涡模式。研究结果表明:附加不同整流装置的圆柱体其水动力特性较附加整流装置的静止圆柱体复杂很多,采用附加整流装置的静止圆柱体绕流结果评价整流装置性能好坏欠妥。