它激剪切流动诱发振荡射流的研究

论述了它激剪切流动诱发振荡射流的机理,分析了它激有效激励条件,并对它激振荡射流的轴心压力进行了测试和频谱分析,给出了压力信号的功率谱。实验表明这种射流振荡幅值高,频率宽广,冲蚀效果优于普通射流。     

基于遗传规划圆柱涡激振动速度反馈控制研究

以二维圆柱为研究对象,基于结构振动模型和尾流振子模型,利用遗传规划(Genetic Programming)算法寻找最优速度反馈控制律,探究了在最优控制规律作用下抑制涡激振动的效果。首先计算了质量比为2.36和7.91下圆柱的振动幅值比,发现共振幅值和锁频区间与实验结果有较好的一致性。然后,通过引入损失函数,利用遗传规划算法计算了在约化速度为7时的最优速度反馈控制规律,计算结果表明:在最优速度反馈控制规律作用下与未受控圆柱相比,振动幅值由0.736降低为0.194,减少了73.6%,显著抑制了圆柱的涡激振动。并且与传统的比例控制规律相比,在具有相同的损失函数值的情况下,遗传规划找到的反馈控制规律能够更有效地抑制涡激振动幅值。     

圆柱的涡激振动估算

本文通过对流体力的分析修正了计算圆柱体涡激振动的相关模型,得到考虑流体阻尼力影响的共振响应解式;经数值计算得到一组圆柱形简单梁的共振响应图线族.按照文中给出的方法步骤,应用该图线族可以比较方便地确定出弹性圆柱体的共振响应峰值.     

圆柱绕流涡致振动的平面湍流数值模拟

为了研究工程中存在的湍流涡致振动问题,应用平面湍流k-ε模型和重整化群k-ε模型,结合分块耦合方法及任意拉格朗日欧拉法（ALE）数值模拟了圆柱绕流涡致振动,求解基于非交错网格系统, 其中包含满足连续性方程的压力泊松方程解法.计算了湍动能、湍流耗散率、湍流黏性系数及柱面涡量的变化情况.结果表明,当雷诺数为5 000～2×105时计算所得的阻力系数与实验数据吻合良好.研究发现,在涡致振动情况下的湍流耗散率比固定圆柱涡脱落情况下小得多,湍流黏性系数与雷诺数呈对数律增长.     

涡激振动小圆柱对翼型气动力影响的数值研究

在大攻角来流时,翼型吸力面气流常产生流动分离现象,使翼型气动性能恶化。针对大攻角情况下的流动分离现象,本文在翼型前缘加入控制柱,通过数值仿真探究发生涡激振动的小圆柱对于翼型气动力的影响。基于计算流体力学、结构动力学和嵌套网格技术,本文建立了二维流固耦合模型。以NACA0012翼型为例,对翼型前缘设置涡激振动圆柱的流场情况进行模拟,并且对比了静止圆柱与振动圆柱情况下的流场变化。通过流线图和涡量云图分析了小圆柱流动控制的机理。仿真结果表明：设置静止小圆柱可以提高大攻角下的翼型升阻比,使小圆柱产生涡激振动之后,能够进一步有效地提高大攻角下的翼型升阻比50%以上。涡激振动小圆柱的引入在大攻角条件下对提升翼型升阻比具有显著效果,为改善翼型气动性能提供了一种有效的流动控制手段。     

均匀流场中三维陷落腔流激振荡实验研究

针对均匀流场中,三维等高型陷落腔因分离流而产生的流激振荡问题,开展了系列的实验研究.实验过程中,主要考虑来流攻角为0时,流速变化(Re=2.06×105~1.16×106)对三维陷落腔流激振荡特性的影响.同时,分别测量了三维腔体侧壁周向及垂向流体压力,分析了腔体内稳态压力和脉动压力的周口、垂向分布规律及腔口剪切层自持振荡特性.实验结果表明:均匀流场中三维陷落腔内部压力分布复杂,且当雷诺数大于某值时腔体内稳态压力全都呈现出负压,同时腔口随边处存在着较大的脉动压力,且脉动压力随相对高度增加而减小,但腔口导边及侧面处的脉动压力随相对高度增加而增大.剪切层自持振荡频率的无量纲数St数随Re变化为一常数值,但其值略大于气流场中二维陷落腔的St数.     

冲击射流二次生成涡的大涡模拟研究

为揭示冲击射流大涡拟序结构的变化规律，研究了冲击射流壁面二次生成涡卷起及与壁面分离的演化特性.采用Smagorinsky提出的亚网格尺度模型，得出了壁面二次生成涡结构变化与冲击高度、雷诺数和喷嘴宽度的关系.数值模拟结果表明，雷诺数对壁面二次生成涡的卷起位置影响较小，但是壁面二次生成涡与壁面的分离位置却有随雷诺数增大而外移的趋势.随着冲击高度的增加，二次生成涡卷起及与壁面分离位置距离滞止点的位移也相应的增加.当冲击高度与喷嘴宽度的比值取值相同时，喷嘴宽度的大小对壁面二次生成涡的演变特性基本上没有影响.     

振荡流中圆柱体横流涡激振动特性数值分析

为了探究振荡流效应对涡激振动的影响,本文对振荡流中圆柱体的横流涡激振动进行了数值模拟.对数值模型进行了验证分析,对KC数为25和502种振荡流下的涡激振动进行模拟,得到了圆柱体流体力、位移和涡量云图.结果表明:振荡流能激发圆柱体的多模态振动,且KC数越大多模态特性越明显;在锁定区间主导模态的幅值明显高于其他模态;锁定区...     

合成射流对串列双圆柱受力特性及流场特性影响的数值模拟

合成射流能够通过改变单个圆柱尾部的旋涡脱落模态有效抑制其涡致振动,但对多圆柱结构的控制效果尚待研究。采用数值模拟研究了对称布置在上游圆柱尾部的水平合成射流对串列双圆柱的受力特性和尾流特性的影响。在研究中,来流的雷诺数恒定为150,合成射流的位置角度为45°,2个圆柱中心之间的间距比为2～10。研究结果表明,水平合成射流能够同时降低上、下游圆柱的升、阻力系数,但过大的合成射流动量系数反而会导致上、下游圆柱的阻力系数均大于无合成射流控制情况下的值。当动量系数为2和4时,上游圆柱的尾迹完全由水平合成射流主导,变得完全对称;但下游圆柱的尾部始终存在交替脱落的旋涡。     

完全湍流剪切层对圆柱涡激振动特性的影响

为研究完全湍流剪切层(2×10~4~4×10~4Re1×10~5~2×10~5)下雷诺数对涡激振动动态响应的影响,在OpenFOAM平台下采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型,采用二阶范德波尔方程描述二维圆柱体涡激振动,对完全湍流剪切层下的圆柱绕流涡激振动进行数值计算,分析涡激振动的振幅、频率特性,并在Williamson-Roshko(W-R)图谱中分析旋涡尾迹脱落模式.结果表明:在相同折减速度下提升雷诺数时,圆柱振幅会显著增大,最大振动振幅值高于自由剪切层过渡旋涡区结果及修正Griffin图谱结果.雷诺数对提高圆柱的涡激振动振幅和同步区的范围具有决定性作用,在完全湍流剪切层中,当提升阻尼参数(α≥0.38)时,涡激振动的上部分支消失,振动频率出现"阶跃".     

海洋深水立管涡激振动实验研究的发展状况

在海洋环境中,涡激振动(VIV)是流体固体藕合作用的结果,也是流体力学和结构力学的融合;但是耦合的作用力会降低立管寿命,立管一旦发生疲劳破坏,原油的泄漏不仅会使工程蒙受损失,还将引发严重的环境污染和二次灾害,因此深海立管的涡激振动在立管设计中是一个需要考虑的重要因素,近几十年里科研人员在此方面做了大量的研究工作。笔者以海洋立管为研究对象,总结了在流体和结构方面国内外学者对海洋立管涡激振动上的研究成果。为更进一步的海洋立管涡激振动研究提供了理论依据。     

自激吸气式脉冲射流装置压力及流动特性的研究

利用自制的射流试验平台对自激吸气式脉冲射流装置进行了冲击试验,测量了装置腔体上典型测点压力和靶心冲击力时间历程,运用高速摄像技术观测了装置内部水气流动过程,分析不同结构参数和运行参数下典型测点压力与冲击力脉冲效果,研究了典型测点压力、冲击力脉冲效果与水气流动过程之间的关系。研究结果表明：腔长、下喷嘴直径、工作压力和围压对吸气量有明显的影响;腔长和下喷嘴直径对碰撞体测点压力脉冲效果、冲击力时均值及其脉冲效果均有较大影响,存在着最佳结构参数使装置吸气量、冲击力时均值最大且脉冲效果最好;工作压力和围压对冲击力时均值及其脉冲效果影响较大;装置吸气后腔内形成了气水旋转涡团,气水旋转涡团与碰撞体测点压力和冲击力脉冲效果存在着明显的对应关系,解释了装置产生脉冲射流的原因。     

厚壁面湍流边界层对圆柱脱涡影响的实验研究

在风洞中,用热线风速仪和压力传感器进行嵌入湍流边界层内的圆柱脱涡实验研究.测量了尾涡脱落频率和平板表面压强脉动,目的是分析当圆柱嵌入空气湍流边界层的情况下,间隙比值对尾涡脱落频率及壁脉动压强的影响.实验结果得到了尾涡无量纲频率S t随间隙比及雷诺数的变化情况,壁脉动压强周期性成分的变化规律,还得到了在一定雷诺数下,圆柱对边界层速度的影响范围,为今后的工作和研究提供了实验依据.     

波浪流中圆柱杆的涡街发放和涡激振动

本文回顾了波浪流中圆柱体涡街发放和涡激振动研究所取得的一些成果.归纳总结了实验研究中的一些重要结果,对现有的部分理论模型进行了概要的介绍.在综合分析有关资料的基础上,对涡激振动研究中的若干问题提出了相应的建议.     

基于RANS的圆柱风致涡激振动的CFD数值模拟

采用基于RANS方法的SST湍流模型对圆柱涡致振动进行了数值模拟.2D模型建立和网格划分通过专业前处理软件ICEM-CFD实现.保持圆柱的频率不变,通过改变风速来研究圆柱涡致振动的特性.研究结果表明,当约减风速处于4.9—5.1时可以观测到锁定现象,圆柱位移峰值出现在约减风速等于5.023.而且在非锁定区域圆柱的位移反应中可以观察到“拍”的现象.将计算与试验得到的锁定区域进行比较,得到二者结果接近;同时将计算得到的圆柱振动幅值与经验公式和实验数据进行比较,得到了比较满意的结果.     

水洞中突出矩形腔的流激驻波振荡研究

在水洞中进行了变深度的、不带导流板的突出矩形腔在流激励下的振荡实验.对腔口附近壁面上几个典型点及腔底处测得的均方压力进行了谱分析,得到了许多有意义的结果.对驻波振荡,考虑到腔底的弹性边界作用,文中给出了推算水中腔底面反射系数的方法,得到了腔的驻波振荡频率修正公式.从修正公式得到的结果与其它腔深度的实验值比较,符合尚好.     

扭曲圆柱绕流特性的大涡模拟

为了有效抑制涡激振动对海洋平台和立管的破坏,需要对圆柱尾涡绕流特性进行进一步研究.本文采用大涡模拟方法对雷诺数Re=28 712时不同扭曲角度α的扭曲圆柱湍流流动进行了数值模拟.通过与光滑圆柱计算结果对比得知,α=40.时扭曲圆柱对阻力与升力的抑制效果最好,相应的涡形成长度显著增大,同时圆周表面最小压力系数要大于光滑圆...     

钢桥塔裸塔状态涡激振动的TLD减振方法研究

利用TLD（Tuned Liquid Damper）对高耸钢桥塔进行振动控制,有效解决了桥塔建设过程中的安全问题和舒适度问题。本文讨论了TLD减小涡激振动的减振机理,给出了TLD对结构控制力的解析表达式,求出了TLD控制时时结构的位移响应,推导了结构安装TLD后结构的等效阻尼比。最后考察了TLD减小钢桥塔涡激振动中的具体应用,可有效减小钢桥塔在涡激振动下的位移和加速度反应。     

稳定流与三翼圆柱的流固耦合研究

在低雷诺数下,应用有限元数值模型计算了带有三扰流翼板圆柱的涡激振动问题,研究涡的释放形式和圆柱的振动幅度．在数值模型中,针对低雷诺数外部流场采用无量纲的N-S方程,三扰流翼板圆柱振动简化为质量-弹簧的断面系统,通过在流固边界上位移与应力的反复迭代,进行三扰流翼板圆柱与外部流场耦合计算,计算结果表明triangle60型的三扰流翼板可以明显地减小圆柱的涡激振动．