串列双圆柱涡激振动响应的数值模拟

该文利用动网格技术对雷诺数Re=100的串列双圆柱的涡激振动响应特性进行了详尽的数值研究。研究了上游圆柱固定,下游圆柱横向振动时,不同间距比(L/D=2-5)和折合流速(Ur=2.4-12)对上、下游圆柱的升阻力特性、涡激振动响应特性和圆柱间干扰效应的影响;以及下游圆柱双自由度(横向和流向振动)涡激振动响应特性。研究发现:随着间距比的增大,下游圆柱开始进入"锁定区间"的Ur减小,且下游圆柱的涡激振动对上游圆柱的影响逐渐减弱,但上游圆柱对下游圆柱的干涉效应一直存在。对于不同间距比,在折合流速Ur=7.2附近,下游圆柱的升阻力系数具有很明显的"跳跃"现象,并出现阻力峰值,且不同间距比的下游圆柱都在Ur=7.2时获得最大振幅且幅值相近,这意味着下游圆柱可能在此折合速度下被完全诱导,当下游圆柱被完全诱导振动后,间距比对圆柱振幅的影响较小。不同的折合流速下,小间距比(L/D=2)和大间距比(L/D=5)的尾流会表现出不同的流动形式和"2P"、"2S"等涡脱形式。下游圆柱双自由度振动时,流向振动相对横向振动振幅较小。     

上游圆柱固定条件下串列三圆柱涡激振动响应和尾流特性

应用基于嵌入式迭代浸入边界法对雷诺数Re=100下串列三圆柱涡激振动进行了数值模拟,其中上游圆柱固定不动,中游和下游圆柱仅作横向振动。三圆柱间距相同,间距比L~*= 1.2、2.0和5.0,折合流速U_r=3.0-25.0,质量比m~*=2.0。研究发现,各间距比下,串列三圆柱存在强烈的相互作用,中游和下游圆柱的振幅明显大于单圆柱涡激振动的情况。随着L~*的增大,圆柱振幅整体上减小,除个别工况外,下游圆柱的振幅均大于中游圆柱的情况。当间距比较小(L~*=1.2、2.0)时,St数随折合流速的增加而缓慢减小;当间距比较大(L~*=5.0)时,St数几乎不再随折合流速变化,固定在St=0.15上。对尾流的研究发现,当振幅较小时,上游圆柱的剪切层将三圆柱包裹在一起,尾流与绕流时相似,表现为经典的卡门涡街;当振幅较大时,上游圆柱的旋涡/剪切层撞击/重附着于下游圆柱上,圆柱之间存在强烈的相互作用,尾流表现为并排的两列旋涡。     

三角形排列圆柱绕流尾流模式及其流体力特性

该文采用基于嵌入式迭代浸入边界法对等边三角形排列的三圆柱绕流进行了数值模拟研究,其中上游为一个圆柱,下游为并列两圆柱,雷诺数为Re?100,间距比为L*?1.0-6.0。依据流体力特性和旋涡排列的不同,将尾流模式分为6种,分别为单体模式(L*?1.0-1.4)、偏斜模式(L*?1.5-1.9)、FF(Flip-Flopping)模式(L*?2.0-2.5)、反相模式(L*?2.6-2.8和3.5-4.1)、同相模式(L*?2.9-3.4和4.2-4.5)和共同脱涡模式(L*?4.6-6.0)。其中,偏斜模式下,下游两圆柱的间隙流会稳定偏向其中一个圆柱,使得两圆柱的尾流宽度不同,对应的阻力均值也不相等。在上游圆柱剪切层的作用下,FF模式中间隙流偏斜方向切换的时间间隔要明显大于相同雷诺数下并列双圆柱绕流时的情况。为深入研究各尾流模式的特性,分析了不同模式下三圆柱流体力系数的变化情况及其原因。当1.9?L??4.6时,上游圆柱的剪切层进入下游两圆柱的间隙,使得下游两圆柱出现相互吸引。当4.8?L??5.5时,下游两圆柱与上游圆柱脱落旋涡的作用不一致,使得下游两圆柱的流体力系数不相等。     

高雷诺数下串列双圆柱绕流的影响因素研究

针对串列双圆柱绕流问题进行了数值研究,利用Fluent软件建立二维数值模型,探究了不同柱体间距、不同柱体表面粗糙度对串列双圆柱阻力系数、升力系数、St数的影响。采用SST k-ω湍流模型,对雷诺数为1×10~6,柱体间距L/D分别为1.75、1.90、2.20、2.50,表面粗糙度Rh在0~0.5%D范围内的串列双圆柱进行数值模拟。结果表明:柱体间距L/D在1.75~2.50范围内,光滑柱体表面下,St数、后柱平均阻力系数会随着柱体间距的增加而增大;同时,柱体间距对升力系数振幅也存在极大影响。改变柱体表面粗糙度,会使柱体间距为1.75的串列双圆柱前柱平均阻力系数在Rh=0.2%D时降低7%,而各柱间距下的后柱平均阻力系数会随粗糙度的增加而减小。研究成果能够为河道桥梁建设和圆柱绕流理论研究提供基础数据。     

串列梯形柱绕流水动力特性数值分析

该文采用数值模拟分析了雷诺数为150和间距比为3的串列双梯形柱绕流水动力特性。当梯形柱背流面与迎流面长度比为d/D=0、0.3和0.5时,双柱的上侧旋涡融合,在尾部形成了不对称的P+S泄涡模式,导致下游柱体承受的平均升力偏离零值。d/D=0.7的双梯形柱泄涡转变为2S模式,表现为上游柱体旋涡与下游柱体旋涡融合后交替脱落。双方柱(d/D=1)间隙以及下游方柱尾部均形成了准静态涡,剪切层有小幅摆动,但未卷曲形成旋涡。d/D=0和0.3时,上游柱体后方由于边界层再附着形成了次生涡,增大了局部压力。随着d/D的增大,上游柱体旋涡形成长度增长,双柱间隙流动趋于稳定,下游柱体前缘的横向速度脉动逐渐减弱,其后方的尾迹也趋于对称。上游柱体的遮蔽效应使其平均阻力大于下游柱体,而间隙流的不稳定性与边界层的交替再附着使得下游柱体升力偏大。双方柱绕流场处于拟稳定状态,其水动力系数远小于三棱柱和梯形柱。相较于双圆柱,三棱柱和梯形柱的边界层分离点靠前,增大了绕流的升阻力。     

基于格子Boltzmann方法的圆柱两自由度涡激振动的研究

该文采用格子Boltzmann方法(LBM)对二维圆柱涡激振动问题进行了研究.圆柱动力响应求解采用Newmark 法,柱体附近使用多块(Multi-block)技术进行网格加密.综合分析了无量纲参数如折合阻尼SG、质量比M及频率比fn/fso等对圆柱两自由度涡激振动的影响,观察到了圆柱“8”字运动形态及其演化过程.研究结果表明:增大SG、M和fn/fso都能够抑制圆柱涡激振动响应,三者中质量比M对纵向位移的抑制效果更为明显;增大SG和M时位移2Ymax/D一直减小,而增大fn/fso,2Ymax/D会先增大再减小.     

变攻角双圆柱涡激振动响应研究

为了研究双圆柱在变攻角下的涡激振动机理,基于CFD (Computational Fluid Dynamics)耦合动力学及嵌套网格方法,建立了双自由度圆柱体涡激振动的高保真数值模型。通过与国内外实验数据对比,验证了数值模型及程序的准确性。然后,对雷诺数Re=0～8 000、约化速度U_r=2～13、来流攻角θ=0°～90°下圆柱体的振动响应、流体力特性、尾流模式开展了研究。仿真结果表明:当约化速度U_r=2～3时,随着来流攻角增加,上下游柱体横向位移差不断增大,柱体尾流模式经历了单钝体、2S(双单涡模式)、2S(同相同步或反相同步模式)的演变过程,此时柱体振幅较小;当U_r=4～8时,上下游柱体进入锁定区间,振幅均达到最大。与大攻角(θ=60°～90°)不同,由于小攻角下(θ=0°～30°)柱间存在较强的涡融合效应,相应的振幅较大些。特别的,受柱间屏蔽作用控制,小攻角下柱体最大振幅开始于更大的约化速度;当U_r=9～13时,大攻角下上下游柱体均脱离锁定区间,振幅与单圆柱趋于一致。相反,小攻角下柱体振动频率接近漩涡脱落频率,加之上游柱体尾流的单边促进作用,导致上下游柱体振幅一直处于较大值。研究结果可为相关海洋工程设计提供参考。     

并列双圆柱尾迹被动控制中流场特性的实验研究

本文采用一个与主圆柱平行的小圆柱对并列双圆柱(中心距为1.5D，其中D为圆柱直径)的旋涡脱落进行被动控制。研究中，基于圆柱直径的雷诺数Re=5900。控制小圆柱被放置于并列双圆柱下游中心线上L=0～2D的距离上，其中L为控制小圆柱和并列双圆柱之间的距离。采用热线风速仪测量了并列双圆柱下游10倍直径处截面上的瞬时速度，得到了平均速度剖面和雷诺应力分布，同时测量了并列双圆柱的表面压力分布。通过分析测量结果发现，当控制小圆柱距离较近时，例如，L／D≤0．5，小圆柱对旋涡脱落和流场的控制作用非常明显，流场上下对称。而当L／D≥1.0时，小圆柱不能抑制宽窄流的出现，其对流场的控制作用大为降低。     

并列旋转双圆柱流动特性的数值模拟

该文基于k - ε湍流模型,采用Galerkin有限元法对并列旋转双圆柱的绕流特性进行了数值模拟,计算的雷诺数为 1550.为了考查两圆柱旋转和间距的相互作用,文中采用三种间距比分别是T/D = 1.2,1.6和3.0 (T 为两圆柱中心之间的距离,D为圆柱直径) 和一系列不同的旋转速度比 (|α| ≤ 2).计算显示,当 |α| = 0,即圆柱不转动时,对应三种间距有三种典型的流型,单钝体流型对应小间距、偏流对应中等间距和对称流对应大间距;当 |α| 达到临界值时,涡脱落得到了有效的抑制,流动趋于稳定,升力系数和阻力系数的脉动值趋于零;平均升力系数和阻力系数随着 |α| 的增大分别增大和减小.     

串列布置下倒角柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究串列布置情况下，倒角变化对柱体绕流水动力特性的影响，该文采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3 900和间距比L/D=3条件下，6种不同倒角(R⁺=0.0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)串列布置的柱体三维流场，模拟工作验证有效。分析了柱体后方水动力参数、瞬时流场和时均流场的变化情况，分析结果表明：随着倒角增大，上下游柱体的平均阻力系数C_d-ave变化趋势相反，上游柱体C_d-ave逐渐变小，而下游柱体的C_d-ave逐渐上升且均为负值；随着倒角增大，上下游柱体Sr数值相同并出现先增大后减少的趋势；两柱体之间的回流速度曲线下切深度明显增加，速度最小值出现处从下游柱体两侧向中心不断变化；串列布置下游柱体尾流宽度显著变小，在间距比L/D=3条件下，剪切层的初始分离均发生在上游柱体倒角转折处，并附着于下游柱体前端及两侧。该研究结果可为柱体绕流研究及相关工程应用提供参考。     

柔性分离盘抑制圆柱涡激振动的风洞试验

该文利用附属柔性分离盘对圆柱涡激振动(VIV)控制问题进行了风洞试验研究。针对弹性支撑的圆柱及不同长度柔性分离盘的试验模型,在雷诺数7 500-40 000情况下,测定不同约化速度(3.5-18.7)下的振动瞬态位移。结果表明:柔性分离盘长度(L)/圆柱直径(D)比为0.6、0.8和1三种圆柱的横向无因次均方根振幅远小于单圆柱,涡激振动抑制效果很好,均在77.6%以上,其中L=0.8D的圆柱抑制效果最佳,几乎无振动;而L=1.2D和1.5D的圆柱反而出现振动增强,约4.5%和9%。对比单圆柱的共振区,附属柔性分离盘的圆柱共振区在约化速度上更靠后且范围更大。     

Flow characteristics of the two tandem wavy cylinders and drag reduction phenomenon

This paper presents an extensive numerical study of 3-D laminar flow around two wavy cylinders in the tandem arrangement for spacing ratios (L/Dm ) ranging from 1.5 to 5.5 at a low Reynolds number of 1...     

脉动水流诱导复合曲梁振动特性的试验研究

本文试验研究了复合曲梁在不同的诱导流作用下的振动特性，绕流Ｖ型翼、三角块、梯形块产生的三种没的脉动流及强紊流诱导复合曲梁的振动的规律均不同相同，脉动流导下，复合曲梁振动主要集中在其低阶固有频率上；强紊流时，振动则集中于高阶频率上，水充量对复合曲梁振动的振幅与频率在不同的诱导流下不同影响。     

明渠柱体上游马蹄涡的运动学特征研究

马蹄涡是水下柱体结构周围床面冲刷的主要动力。为掌握马蹄涡的运动学特征,引入了基于旋转强度的马蹄涡识别方法,提出了基于椭圆涡拟合的马蹄涡特征提取方法,其中,椭圆涡由Oseen涡和倾斜单向剪切流叠加而成。基于上述方法,通过开展明渠圆柱绕流PIV实验,对柱体上游对称面时均流场中马蹄涡的运动学特征进行了研究。结果表明,在柱体雷诺数大于104的紊流柱体绕流中,马蹄涡上游的流动分离点随柱体雷诺数的增大而缓慢向下游移动,但马蹄涡的位置保持不变,涡中心距柱体中轴约0.67D(D为柱体直径或宽度),距床面约0.06D;随着柱体雷诺数的增大,马蹄涡的半径不变而强度增加,使得马蹄涡作用于床面的剪切应力增大。研究结果建立了客观提取马蹄涡运动学特征的数学方法,得到了流动分离点、马蹄涡位置等运动学特征随水流条件的变化规律,揭示了明渠柱体绕流与其它流动中柱体绕流的差异,初步构建了马蹄涡的动力作用概念模型。     

Numerical simulation of low-Reynolds number flows past two tandem cylinders of different diameters

The flow past two tandem circular cylinders of different diameters was simulated using the finite volume method. The diameter of the downstream main cylinder （D） was kept constant, and the diameter of the upstream control cylinder （d） varied from 0.1D to D. The studied Reynolds numbers based on the diameter of the downstream main cylinder were 100 and 150. The gap between the control cylinder and the main cylinder （G） ranged from 0.1D to 4D. It is concluded that the gap-to-diameter ratio （G/D） and the diameter ratio between the two cylinders （d/D） have important effects on the drag and lift coefficients, pressure distributions around the cylinders, vortex shedding frequencies from the two cylinders, and flow characteristics.     

三方柱绕流的大涡模拟及频谱分析

高雷诺数条件下,无论来流是均匀还是非均匀,多方柱绕流情况下方柱受力及尾流的相互干扰都是相当复杂的。为了研究方柱受力及下游尾流的相互干扰,基于大涡模拟紊流模型对后品字等边布置的三方柱绕流进行了数值模拟,数值模拟结果表明,上游两个方柱的阻力系数要明显小于下游方柱,而上游两方柱升力系数远大于下游方柱,且下游方柱的升力系数基本上在零左右振荡,通过频谱分析发现了它们之间的区别。方柱的尾流存在着强烈的非对称相互干扰,且涡有明显的三维性。     

淹没垂直圆柱周围水流结构及紊流特性试验研究

淹没垂直圆柱虽在各工程领域中均有广泛的实际应用,但还没有关于其绕流场内水流结构及紊流特性的系统研究。通过室内变坡水槽试验对淹没垂直圆柱周围的瞬时流速场进行了精细测量,分析了淹没率对垂直圆柱上下游竖直对称面内三维流速、紊动强度等水力参数垂线分布的影响程度,研究了向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等典型水流结构的冲刷力随淹没率的变化规律,揭示了淹没率影响垂直圆柱周围清水局部冲刷的机理。研究结果表明:增大淹没率能够减小垂直圆柱出露于水体中的有效长度,使得垂直圆柱对水体的阻流和扰动作用减弱,也使得垂直圆柱上游迎水面处向下水流、柱周马蹄形旋涡和下游尾流旋涡的冲刷能力被有效削弱,降低了垂直圆柱周围床面泥沙被旋涡体系卷起后顺水流失的概率。     

SOME OBSERVATIONS OF TWO INTERFERING VIV CIRCULAR CYLINDERS OF UNEQUAL DIAMETERS IN TANDEM

Analysis of model test results was carried out to investigate the hydrodynamic interaction between a pair of elastically-supported rigid cylinders of dissimilar diameters in a water flume.The two cylinders are placed in tandem with one situated in the wake of the other.The diameter of the upstream cylinder is twice as large as that of the downstream cylinder.The spacing between the two cylinders ranges from 1 to 10 times the larger cylinder diameter.The Reynolds numbers are within the sub-critical range.The cylinders are free to oscillate in both the in-line and the cross-flow directions.The reduced velocity ranges from 1 to 10 and the low damping ratio of the model test set-up at 0.006 gives a combined mass-damping parameter of 0.02.It is found that the lift on and the cross-flow motion of the downstream cylinder have the frequency components derived from the upstream cylinder’s vortex shedding as well as from its own vortex shedding,and the relative importance of the two sources of excitation is influenced by the spacing between the two cylinders.The downstream cylinder’s VIV response appears to be largely dependent upon the actual reduced velocity of the cylinder.     

低雷诺数下并列双波浪柱尾迹干扰效应数值模拟

该文针对雷诺数Re=100下不同波长参数(/mλD=2、4、6和8)、不同间距比(1.5/3.5m≤L D≤)的并列双波浪柱后尾迹复杂的三维流动结构及干扰效应进行了数值研究。研究表明:三维并列双波浪柱在较小的间距比/1.5mL D=时,波峰对波谷排列的并列波浪柱后尾迹呈现明显偏置双稳流动结构,而波峰对波峰排列工况下基本呈现单一波浪型钝体后尾迹流动结构(尤其是在大波长/mλD=6和8时);当间距比/3mL D≥时,随着波长/mλD的增大,上下波浪柱各自呈现单波浪柱后尾迹流动结构;较大波长的三维波浪形状更好地组织了后尾迹三维流动结构,减少了并列双波浪柱后尾迹的相互干扰,从而减阻减振明显,最高减阻可达14.5%,脉动升力系数上下游波浪柱均趋于0.1。该研究可为近海工程的多立管结构及悬索桥的拉索振动抑制等提供理论支持。