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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

并列双钝体箱梁间距对涡激共振特性的影响

首先通过节段模型风洞试验测试了并列双幅钝体箱梁在10个不同间距(双幅箱梁的净间距D与单幅箱梁宽B之比D/B的变化范围为0.2～4.0)时的涡激共振振幅与风速锁定区间,并与单幅钝体箱梁的的涡激共振振幅与风速锁定区间进行了对比,研究了对并列双幅钝体箱梁的间距对涡激共振特性的影响。然后基于CFD数值计算结果,从流场的角度对涡激共振特性的影响机理进行了分析。研究结果表明:下游箱梁对上游箱梁涡激共振的影响在0.2≤D/B≤2.0时表现为一定的放大效应,在D/B≥2.5时基本可以忽略;上游箱梁对下游箱梁涡激共振的影响表现为明显的放大效应,这种放大效应在D/B=0.8时最显著,即使当D/B=4.0时仍不可忽略。     

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。     

基于IBM法的低雷诺数下涡激振动高质量比效应的研究

由深圳市赛格广场大厦在低速风场作用下的强烈有感振动事件可知,高质量比系统的振动问题仍较突出。为澄清涡激振动中的高质量比效应,该文采用一种锐利界面浸入边界法,通过C++编程计算了低雷诺数(Re=80~150)流场中,不同高质量比(m*=14.8~280)、阻尼比(ζ=0.0012~0.036)和质量-阻尼比组合m*ζ对涡激振动的影响。结果表明:通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和有效性;在高质量比情况下,Re<100时,结构发生"弱锁定"现象,Re=100~130时,发生传统的"锁定"现象,且发生共振时Re=110,位于锁定区间靠近Re数较小的一侧,当Re=130时,开始摆脱锁定,且升力与振动响应出现"相位突变"现象;m*、ζ对锁定区间的影响并不大,但是质量-阻尼比组合m*ζ相同时,质量比对涡激振动的影响更加显著,即质量比低的结构系统发生涡激振动时的锁定区间更广(Re=90~140),m*=14.8的高质量比系统比m*=148的较高质量比系统提高了1.67倍,而且共振时对应的雷诺数也减小;发生共振时,尾涡脱落均为"2S"模态,最大振幅均为0.5D左右,无太大变化,即高质量比和较高质量比对振幅和锁定区间的影响并不大,但是随着ζ的增加,振幅比Y逐渐减小,振动受到了抑制。     

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。     

表面粗糙度对圆柱体涡激振动响应特性影响数值研究

使用数值模拟方法,研究了粗糙度对圆柱体涡激振动响应特性的影响,对不同粗糙度下圆柱体的涡激振动响应幅值、漩涡泄放频率、结构振动频率、锁定区间等参数进行了对比分析。分析结果表明:依据涡激振动响应幅值以及响应频率,可以将整个折合速度区间划分为4个区间:区间I、区间II、区间III以及区间IV。随着粗糙度的上升,圆柱体涡激振动响应最大值呈下降趋势。随着粗糙度的上升,锁定区域开始点呈缓慢提前的趋势,而锁定区域结束点则呈快速提前的趋势,因此整个锁定区域宽度会随着粗糙度的上升而逐渐变窄。     

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。