高雷诺数下圆柱顺流向和横向涡激振动分析

本文利用CFD方法,研究了较高雷诺数下圆柱流向与横向耦合涡激振动特性。利用FLUENT软件求解粘性Navier-Stokes方程、圆柱涡激振动的结构动力响应方程,运用动网格技术,实现流固耦合,对圆柱进行了单自由度和两自由度涡激振动的数值模拟,得到了雷诺数为 范围内的圆柱涡激振动的升力系数、阻力系数、振幅比及频率比随约化速度变化的规律,捕捉到涡激流固耦合振动的“锁定”“相位开关”等现象,结果表明在此雷诺数范围内锁定区域对应的折减速度范围为Ur=3~7.5。对比单自由度及两自由度的模拟结果,表明在低质量比情况下,流向的振动会对横向振动产生影响。     

耦合四圆柱涡激振动的力特性及水动能获取分析

涡激振动是一种常见的流固耦合现象,结构物振幅较大时,可利用涡激振动从海洋流中或河流中获取能量。通过流固双向耦合数值方法,模拟均匀来流下,弹性支撑刚性连接的耦合四圆柱在不同横向和流向间距比下的横向涡激振动。分析横向和流向间距比对该耦合结构涡激振动时的压力和升力特性及获取能量和能量密度的影响。结果表明:各种组合间距比下,上端两圆柱的升力系数均值CL与下端两圆柱的CL关于CL=0对称,压力系数幅值Ap关于θ=180°对称,但其升力系数均方根值却近似相等;获取的水动能及能量密度随着组合间距比的增加先增加,随后获取能量增加缓慢,而能量密度却不断减少,因此选择合理的横向和流向间距比可从单位水体的海洋流或河流中获取更多的水动能。     

圆柱高Re数绕流特性的大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱在Re=4.1×104下的绕流场,预测了圆柱表面的脉动压力平均值和RMS值,得到了与试验报道接近的阻力系数平均值和升力脉动RMS值,以及涡脱St数,表明了大涡模拟的有效性。揭示了圆柱涡脱的空间不同步和涡脱频率随时间的变化特征,以及涡脱能量的有限频率带宽分布;分析了圆柱表面θ=90°和θ=270°点脉动压力时程的统计特性,表明脉动压力的能量均集中在圆柱的漩涡脱落频率上。提出了基于θ=90°和θ=270°点脉动压力时程的互相关系数和RMS值,合理估算圆柱截面脉动升力RMS值的公式;基于圆柱表面脉动压力时程的相干性分析,揭示了圆柱升力和阻力产生的流动机理。     

尾流干涉及边界效应对两圆柱体涡激振动的影响

基于CFD数值模拟研究了不同排列方式的两圆柱体涡激振动问题,采用ANSYS/CFX计算了刚性圆柱体和弹性圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力,计算了上下游圆柱体和横流向相邻圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力。基于数值分析结果分析了流固耦合效应对圆柱体涡激振动的影响,分析了尾流干涉现象对尾流圆柱体和边界效应对横向相邻圆柱体涡激振动的影响。研究表明,尾流干涉及流固耦合作用将大大增加尾流圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力;而边界效应和流固耦合对垂直来流的两圆柱体涡激升力和脉动拖曳力有增强的作用,并造成两圆柱体的涡激升力之间产生了相位差,最大相位差为180°。     

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。     

两自由度椭圆柱体涡激振动的数值模拟

摘要：利用作者编制的基于松耦合方法求解气动弹性问题的程序,对高雷诺数条件下椭圆柱体的涡激振动进行了数值模拟。椭圆柱体的长短轴比接近2,来流和长轴垂直。数值结果表明：尽管椭圆柱体在横向和流向的动力参数不同,结构振动仍以横向振动为主;和圆柱以及方柱一样,两自由度椭圆柱体的涡激振动同样存在流向锁定和横向锁定,并且随着折减风速的增大,旋涡脱落模式从异相2S变化为同相2S。     

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。     

考虑振动频率及振幅变化影响的桥梁断面气动特征分析

为探究不同振动频率、振幅对桥梁断面气动特性的影响,利用可在静止网格中计算动边界绕流问题的浸入边界算法,编写出数值计算程序,展开竖向正弦强迫振动桥梁断面的绕流模拟,其振幅变化范围A=0.14 D~0.25 D,振动频率变化范围Stc=0.1~0.25。研究发现:不同振幅下的桥梁断面阻力系数均在静止涡脱频率处产生峰值,桥梁断面升力系数则在此处均出现归零效应,且振幅越大,归零效应愈明显;迎风面下翼缘可能是决定桥梁断面阻力系数和升力系数随振动频率变化的关键因素,桥梁结构在不同振动频率处呈现不同的涡量分布,但是在同一振动频率处仅改变物体运动振幅,断面流场涡量分布基本保持不变;振动频率是决定表面脉动压力分布的重要因素,振幅只会改变其值的大小,不影响其脉动压力分布特性。     

基于离散点涡的双自由度涡激振动尾流振子模型研究

建立了一种新的预报双自由度圆柱涡激振动响应的尾流振子模型,提出了以近壁点涡强度为变量描述尾流振子方程.通过势流理论推导出了结构所受流体流向和横向水动力与点涡强度的量化关系,从而得到了结构振子和流体振子的耦合方程组.使用该模型对圆柱的双自由度涡激振动问题进行了数值计算,得到了结构流向和横向的响应振幅及频率的变化规律.通过与实验结果进行对比,表明模型预测的涡激共振区、锁定频率和“8”字形运动轨迹等结果与实验观测结果基本一致.     

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。     

Numerical Study on the Suppression of the Oscillating Wake of a Square Cylinder by a Traveling Wave Wall

Traveling waves generated on the side surfaces of a square cylinder are employed to suppress the oscillating wake for improving the flow behavior around a square cylinder; this method is termed the traveling wave wall (TWW) method. This study aimed to evaluate the influence of the key parameters of TWW on the control of aerodynamic forces and the oscillating wake of the flow around a square cylinder. Unsteady numerical analyses at a low Reynolds number (Re) of 100 were performed using a two-dimensional CFD simulation. First, the grid independence and time step independence tests of the simulation were conducted to verify the rationality of the solving parameter settings, and the validation of flow around the fixed square cylinder at Re =100 was carried out. Subsequently, the lift and drag coefficients and the vortex shedding modes under different combinations of three TWW control parameters, including wave velocity, wave amplitude, and wavenumber, were analyzed in detail. The results show that TWW can remarkably reduce the mean value of drag coefficient and the RMS value of the lift coefficient by more than 12% compared to the method involving a standard square cylinder. Two peaks occur in the lift coefficient spectrum, with the low frequency corresponding to the vortex shedding frequency in the wake of the flow around the square cylinder and the high frequency corresponding to the traveling wave frequency. The vorticity contours show that the alternating vortices in the wake of the square cylinder are not completely suppressed under the selected control parameters.     

基于实验的圆柱体流固耦合升力谱模型研究

基于均匀流场的弹性圆柱体涡激振动实验,提出了一个考虑流固耦合的涡激升力谱模型。该升力模型采用了Webull 分布模型,以流速、约化速度、圆柱体直径和圆柱体固有频率为模型参数,通过引入圆柱体固有频率来考虑流固耦合的影响,避免了时域模型中直接计算圆柱体的顺流向振动响应问题。与实验结果比较表明,该模型可用于均匀流场的涡激振动预测。     

圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合模型研究

基于尾流振子模型对刚性圆柱体在横流以及顺流方向涡激振动耦合模型进行了研究。首先建立了横流以及顺流方向考虑结构几何非线性的结构振子以及尾流振子模型,其次基于二阶精度中心差分格式对模型进行先离散后迭代求解,再次通过与他人实验结果进行对比验证了该数值模型的可靠性,最后对不同质量比、不同结构阻尼比以及不同几何非线性系数下圆柱体涡激振动响应振动幅值以及振动轨迹进行了分析。分析结果表明:随着质量比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值均呈下降趋势,锁定区间宽度逐渐变窄。随着结构阻尼比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值同样呈下降趋势,而锁定区间宽度逐渐变宽。随着折合速度的增加,结构振动轨迹依次出现斜"8"字形、"月牙"形以及正"8"字形。随着几何非线性系数的增加,横流以及顺流方向振动幅值从上分支进入低分支时的位移突降现象会变得越来越明显。     

海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正

对输送液体的模型管道进行了涡激振动试验研究,试验结果表明:当理论涡脱频率与管道的固有频率不一致时,作用在振荡管道上的涡激力并非简谐扰力,而是具有一定带宽的窄带随机扰力。因此,管道的涡激振动响应也是一个随机过程。当理论涡脱频率与管道的固有频率接近时,管道的涡激振动响应逼近简谐振动。试验结果也表明:作用在振荡圆柱体上的涡激力频率不仅是流速和圆柱体直径的函数,也是圆柱体固有频率的函数。     

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.     

振动圆柱绕流气动力系数的数值模拟研究

给出了在锁定状态下不同振动条件时气动力系数变化的计算结果及其机理分析。首先给出固定圆柱绕流气动力系数的数值模拟结果；其次，在特定的频率比条件下，计算了升力系数均方根值和平均阻力系数随振幅的变化，并从圆柱的底部压力系数和漩涡生成长度两方面对这种变化进行了机理分析。     

大倾角附螺旋列板倾斜圆柱涡激振动抑制分析

在室内拖曳水池中开展大长径比（L/D=350）,小质量比（m*=1.90）和大倾角（a=45 °）倾斜柔性圆柱涡激振动（VIV）抑制实验,观测螺旋列板对柔性圆柱VIV的抑制效果,并分析倾斜抑制圆柱涡激振动响应特性。选取海洋工程领域最优螺距/高度比组合（17.5D/0.25D）。通过拖车拖动模拟均匀来流,拖车速度范围为0.05 m/s~1.0 m/s,间隔为0.05 m/s,对应的雷诺数约为Re=800~16000。采用应变传感器测量结构横流向与顺流向的振动信息,并根据模态法处理实验数据。实验结果表明:螺旋列板对大倾角倾斜柔性圆柱VIV响应幅值和结构应变抑制效果不理想;同时观测到倾斜抑制圆柱涡激振动存在多模态的振动特征;并发现不相关原则（IP）不适用于倾斜抑制圆柱的涡激振动。     

High frequency oscillating viscous flow over elliptic cylinder at incidence

Summary The problem of high frequency oscillating viscous flow over an elliptic cylinder at incidence is investigated. The method of matched inner-outer asymptotic expansion to second order is used to solve the governing equations. The steady and the unsteady modes of flow, related to the present work, are identified and separated. Both steady and unsteady drag and lift coefficients are presented and discussed. The effect of different parameters such as the Strouhal number, Reynolds number, focal length and angle of attack are explored.     

水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟

西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥,下部结构采用双圆柱桥墩。2018年7月,在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。实测表明:桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振,横桥向为随机微振动;顺桥向最大加速度约为0.08 m/s2,梁端最大位移约为1.56 mm。基于一阶纵向振动模态参数,将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系,在2 m/s~10 m/s流速范围内(折减流速U_r=1.69~8.45、雷诺数Re=2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟,得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正,得到了墩顶位移随流速变化的关系。结果表明:上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用,在3 m/s~6 m/s流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。在考虑三维修正后,ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。随着阻尼比ζ的增加,涡振最大振幅变小,锁定区间基本不变。     

Sand accumulation on a wall in flows around a near-wall circular cylinder

Summary The sand accumulation on a flat plate in flows around a near-wall circular cylinder has been mainly investigated by the method of numerical simulation at the sub-critical Reynolds number1200 (based on the diameter of the circular cylinder) and the gap ratio G/D (ratio of the gap between the circular cylinder and the plane wall to the diameter of the circular cylinder) 1.0, 0.5 and 0.25. The standard k− ε turbulent model and the vorticity-stream function formulation are adopted to analyze the wake characteristics. The lift and drag coefficients of the circular cylinder and the pressure pulsation on the wall are solved. The simulation of streak-lines for the flow visualization and PIV experiments are detailed carried out to analyze the sand accumulation phenomenon on the plane wall, and a possible mechanism has been proposed. Results of the numerical simulation indicate that the effect of the cylinder results in flow separation from the plane wall. Separations occur about 1 to 2 cylinder diameters behind the cylinder, where the particles in the flow near the plane wall accumulate gradually.