低雷诺数下直圆柱和波型圆柱受迫振动的数值研究

对低雷诺数下(Re=150)的直圆柱和波型圆柱在均匀来流中横向受迫振动问题进行了数值模拟研究。通过改变运动圆柱的振动频率和振幅,对比分析直圆柱和波型圆柱所受的升阻力,确定各自的锁定区间并分析在锁定状态下升力及尾涡的变化特性。数值结果表明:虽然波型圆柱在静止情况下能够完全抑制卡门涡街,但在受迫振动下其升阻力随振动频率的变化趋势与直圆柱相似;波型圆柱对升力和阻力的抑制分别体现在低频和高频段;升力曲线在锁定和非锁定状态下表现不同;锁定状态下,直圆柱尾流区的泻涡模式由振动频率控制,观察到2S和C(2S)两种模式;波型圆柱尾流区观察到唯一一种泻涡模式。     

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。     

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。     

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。     

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。     

行波壁抑制圆柱涡激振动的数值模拟研究

采用CFD数值模拟方法完成了圆柱绕流-涡激振动-行波壁流动控制全过程的数值模拟,重点研究行波壁流动控制方法对低雷诺数下两自由度弹性支撑单圆柱涡激振动的抑制作用。详细分析各阶段圆柱横向和流向位移、质心运动轨迹、升力和阻力系数等随频率比的变化。结果表明:行波壁圆柱的波谷处可以产生一系列稳定的随行波壁运动的小尺度旋涡,有效抑制圆柱表面分离涡的产生,达到消除圆柱绕流尾迹和抑制涡激振动的目的;在计算初始和中途启动的行波壁流动控制方法显著抑制了圆柱横向和流向振动、降低了圆柱升力系数脉动值和阻力系数均值,但阻力系数脉动值则明显增大。     

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。     

理想塑性非线性弹簧支撑刚性圆柱涡激振动响应

应用尾流振子模型以及弱耦合算法的二维CFD数值方法,首次模拟了理想塑性非线性弹簧支撑刚性圆柱的涡激振动响应。CFD数值模拟与尾流振子经验模型预报结果一致显示:响应幅值超出非线性弹簧的极限位移后产生突变而迅速达到峰值,然后又逐渐变小;非线性弹簧情况下幅值峰值要低于线性,但出现在较低的流速。CFD数值方法还模拟到非线性弹簧支撑柱振动频率开始锁定泄涡频率,当振幅达到峰值后,随之锁定于静水固有频率附近。     

细长柔性立管涡激振动的数值模拟研究

应用基于浸入边界法（IBM）的三维水动力并行计算程序CgLES_IBM,并结合隐式结构动力计算程序X-code,研究了低雷诺数条件下细长柔性立管的涡激振动问题。研究发现:立管的振动体现出明显的驻波振动特征。立管在顺流向主要激发奇数阶模态,而横流向处于激发状态模态的奇偶性取决于涡激振动卓越频率和立管固有频率之间的关系。涡激振动的频谱呈现为单谱模式,所有的振动能量都集中在一个窄频段上,波节处能量较弱,波腹处能量较强。波节处,时均能量传递系数为负值,涡激振动处于抑制状态,相邻波节之间,时均能量传递系数为正值,并沿展向呈现出“马鞍形”分布,涡激振动处于激发状态。柔性立管涡激振动的泻涡模式呈现出三维特性,近尾流区为2S模式,但由于倾斜泻涡造成尾涡沿展向移动,尾涡模式随后变为2P₀模式,随着较弱漩涡的耗散,在远尾流区,尾涡模式又回到2S模式。     

低雷诺数下两类串列圆柱的涡激振动

为了研究上游圆柱的运动状况对下游圆柱涡激振动的影响,针对两类串列双圆柱(上游圆柱固定、下游圆柱可作两自由度振动,上下游圆柱均可作两自由度振动),在低雷诺数下(Re=100),采用数值模拟方法,研究了下游圆柱在不同尾流干扰下的振幅、振动频率、相位差等振动特性随折减速度的变化规律,从能量输入和尾流模态角度探讨了上游圆柱的振...     

细长立管两向自由度涡激振动数值研究

采用ANSYS-CFX软件对细长立管的两向自由度涡激振动进行了数值模拟,分析了小变形（A/D=0.07）和大变形（A/D=1）两种条件下的立管涡激振动特性。在小变形条件下,锁定区的顺流向振动和横向振动的幅值比小于非锁定区;在非锁定区,顺流向振动频率是横向振动频率的两倍,而在锁定区两者振动频率相同,等于升力频率。在大变形条件下,锁定区的顺流向振动和横向振动的幅值比明显大于非锁定区;不论在锁定区还是非锁定区,都满足顺流向振动频率是横向振动频率的两倍关系,顺流向振动频率等于拖曳力频率,横向振动频率等于升力频率。     

高雷诺数下串列圆柱尾流致涡激振动的机理研究

多圆柱之间的气动干扰常导致结构发生尾流激振。为进一步澄清双圆柱之间的气动干扰机理,采用大涡模拟(LES)方法,在高雷诺数下(Re=1.4×105)研究了串列双圆柱(圆心间距为1.5~4倍直径)的表面风压分布、气动力系数和Strouhal数等气动性能与流场流态之间的内在关系,研究了上、下游圆柱气动力之间的相关性,从平均和瞬态流场角度讨论了气动干扰效应的流场作用机制,建立了下游圆柱的激励力模型并对尾流致涡激振动进行了算例分析。研究结果表明:数值模拟得到的气动性能和流场流态与试验结果吻合较好,说明在高雷诺数下大涡模拟方法能准确模拟双圆柱气动干扰现象;随着间距的增大,串列圆柱依次呈现单一钝体、剪切层再附和双涡脱等三种干扰流态;上、下游圆柱气动力之间的相关性会随着流态的不同出现较大波动,双涡脱流态时的升力相关性最强;单一钝体流态时,两个圆柱间隙中的回流会导致下游圆柱受到负阻力的作用;双涡脱流态时,下游圆柱的脉动升力远大于其他两种流态,也明显大于单圆柱,因而下游圆柱发生尾流致涡激振动的可能性最大。     

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。     

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。     

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。     

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.     

矩形断面主梁涡激振动气动力展向相关性试验研究

桥梁主梁结构涡激振动具有三维特性,主梁涡激力沿展向并不完全同步。在均匀流场条件下针对宽高比为5的矩形断面主梁分别进行了振动状态和静止状态风洞试验,对其气动力、尾流风速、表面压力展向相关性等进行研究。结果表明:振动状态矩形断面主梁气动力展向相关系数比静止状态大,涡振锁定区内升力系数相关系数最大值位于锁定区间上升段而非振幅最大处。振动状态矩形断面主梁尾流区顺风向及竖向脉动风速展向相关系数小于其气动力展向相关系数;静止状态矩形断面主梁尾流区顺风向脉动风速和竖向脉动风速展向相关系数沿展向距离呈指数衰减,且不同风速下对应的衰减曲线比较接近。     

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。     

C型环对细长圆柱减阻抑振效果的试验研究

长细比较大的圆柱结构易发生涡激振动从而引发结构安全问题,而阻力小的气动抑振措施是解决该问题的 理想手段之一。为此,开展了一种C型减阻抑振环风洞试验,研究了不同直径和圆心角的C型环对不同雷诺数下的 圆柱气动力的影响,并通过圆柱表面的风压分布揭示了C型环的减阻抑振机理。研究结果表明,通过减弱背风面的 负压C型环可以有效减小亚临界雷诺数区圆柱的阻力,而且通过对尾流的干扰可有效抑制旋涡脱落。     

不同入射角下圆柱涡激振动的数值研究

采用二维非定常雷诺平均N-S方程和剪应力运输k-ω模型,结合四阶龙格-库塔法,选取4种不同入射角(α)对二自由度圆柱涡激振动响应影响进行数值研究。比较了不同来流角度下圆柱涡激振动幅值、结构振动频率、锁定区间、漩涡脱落模式、斯特劳哈尔数、水动力系数和捕能效率的影响。数值结果表明,来流角度变化会使圆柱涡激振动响应产生多频率特性,且随着来流角度的增加y方向振幅逐渐减小,x方向振幅逐渐增大。不同来流角度下涡激振动响应均产生明显的锁定现象,锁定区间宽度随来流角度的变化不明显。但随着来流角度的增加,y方向力系数均方根与x方向力系数均值均有下降的趋势。