圆柱体涡激运动的模型试验与数值模拟研究

为研究Spar等圆柱体海洋结构物涡激运动响应,进行圆柱体静水拖曳模型试验与数值模拟研究,测试不同来流速度下六自由度运动,分析圆柱体运动幅值、频率、斯特劳哈尔数和阻力系数等变化特性.研究结果表明:圆柱体运动均方根幅值随着约化速度增加至峰值,然后保持相对稳定;在锁定区域内,横向运动频率锁定在1.1倍固有频率,在锁定区域外,横向运动频率没有跳回固定圆柱泄涡频率而是保持持续增加;圆柱艏摇振幅随约化速度呈波动增加,艏摇频率近似等于同约化速度下的横向振动频率;圆柱阻力系数先缓慢增加,当约化速度大于6.2时,阻力系数保持在2.2左右;初始分支尾涡呈现2S模式,上端分支呈现出2P模式;大涡数值模拟对圆柱体涡激运动的幅值、频率和阻力系数等均有较好的模拟结果.     

脉动流条件下的圆柱绕流特性研究

为探究脉动流对流体绕流结构物产生的影响,采用数值方法研究了脉动流条件下圆柱绕流场特性,对涡量分布、升阻力系数、升力系数频谱特性等进行分析。结果表明:脉动流作用会使圆柱尾涡剪切层变薄,提高脉动频率使尾涡长度变短、脱离加快,提高无量纲脉动振幅使主导涡的脱落速度降低,使旋涡生成区域更靠近圆柱表面;脉动频率与无量纲脉动振幅的增大使升力系数、阻力系数的振幅均增大,而且与升力系数相比,阻力系数的振幅更大,变化更快;升力系数频谱图存在多个主频,包括旋涡脱落频率和相位叠加频率,其中旋涡脱落频率的振幅随着脉动频率的增加而减小,随着无量纲脉动振幅的增加而增加。在流场中加入脉动流,可以增强流体振动促进流动混合。     

脉动流条件下圆柱绕流特性研究

该文数值研究了脉动流条件下圆柱绕流场特性,对涡量分布、升阻力系数、升力系数频谱特性等进行了分析。结果表明,脉动流作用会使圆柱尾涡剪切层变薄,提高脉动频率使尾涡长度变短、脱离加快,提高无量纲脉动振幅使主导涡的脱落速度降低,使旋涡生成区域更靠近圆柱表面;脉动频率与无量纲脉动振幅的增大使升、阻力系数的振幅均增大,而且与升力系数相比,阻力系数的振幅更大,变化更快;升力系数频谱图存在多个主频,包括旋涡脱落频率和相位叠加频率,其中旋涡脱落频率的振幅随着脉动频率的增加而减小,随着无量纲脉动振幅的增加而增加。     

雷诺数对圆柱体涡激振动特性影响研究

为研究雷诺数,特别是高雷诺数对涡激振动(VIV)特性的影响,基于OpenFoam嵌入自编程序,分别设定雷诺数范围为1.45×103~10.20×103,5.80×103~40.80×103以及13.05×103~91.80×103对不同质量比的圆柱体进行涡激振动数值模拟.在低、高质量比条件下计算对比圆柱体在不同雷诺数范围内的涡激振动幅值、频率、流体力系数、运动轨迹以及漩涡脱落模式等特性,研究结果表明:在低质量比条件下,雷诺数范围的增大对圆柱涡激振动的影响主要体现在流向与横向各分支振幅的增加以及泄涡向2T模式的提前转变等;而在高质量比条件下,主要体现在横向幅值的增加与流向幅值的减小,锁定区间的增大以及最大振幅处运动轨迹的显著改变等.     

用格子Boltzmann方法计算剪切流的方柱绕流问题

用格子Boltzmann方法计算来流为水平剪切流的方柱绕流问题, 得到了在不同速度梯度条件下方柱绕流的流线和等涡线图. 发现在圆柱尾部形成两排涡, 当来流速度梯度较大时, 两排涡有很大的不同. 计算结果表明, 用格子Boltzmann方法计算剪切流的方柱绕流问题是可行的, 计算结果与理论分析相符.     

典型2维柱体涡激振动的数值模拟研究

利用作者编制的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的程序,对圆柱和方柱等典型2维柱体的涡激振动进行了数值模拟.计算结果表明:2维柱体的涡激振动存在2个锁定状态,即低折减风速条件下的流向锁定和高折减风速条件下的横向锁定;随着折减风速的增大,2维柱体的旋涡脱落模式从异向2S(2 single)变化到同向2S;伴随着旋涡脱落模式的转变,气动力和位移之间的相位差出现0→π的剧烈变化,即相位转换现象;通过对相位转换现象进行分析,给出了涡激振动是限幅振动的机理解释.     

高雷诺数下双圆柱绕流诱发振动的数值模拟

基于表面涡方法研究了不同间隙比及归一化阻尼参数下,串列和并列双圆柱的流体诱导振动问题,并计算了圆柱的振动响应、流体力、振动频率等.结果表明:圆柱为刚性时的计算模拟结果与相关文献的实验结果吻合良好;在文中的研究条件下,串列双弹性圆柱具有屏蔽流的特征,涡脱落频率比刚性圆柱的大,其值主要取决于归一化阻尼而非间隙比;流体从并列双弹性圆柱分离的涡是对称的,与并列双刚性圆柱相比其平均力系数略小,但由于流体诱导振动造成的脉动力系数较大,故流体诱导振动对并列圆柱的动态响应有重要的影响.研究结果为亚临界雷诺数范围内热交换器管束的复杂流体诱导振动等问题提供了一种可能的计算方法.     

吸气作用下圆柱涡激振动特性试验研究

为研究吸气对圆柱涡激振动的控制效果,采用吸气控制方式,选取不同的来流风速、吸气速度和吸气角度进行风洞试验.通过在风洞中使用质量阻尼系统使圆柱发生涡激振动,并对比控制效果.研究结果表明:定常吸气对涡激振动临界风速、涡激振动锁定区间长度以及降涡激振动的幅值都有影响;当吸气角度为0°,45°或180°时,吸气对涡激振动有很好的控制效果;当吸气角度为90°或135°时,控制效果最显著;吸气系数对控制效果也有一定影响.通过分析圆柱表面风压特性可知:吸气控制对流场既有稳定作用,又有扰动作用.当吸气流量比较小时,稳定作用占主导;随着吸气量增大,扰动作用越来越明显.     

平直条带流致振动特性实验及其数值模拟研究

核反应堆内燃料组件受到高流速冷却剂的冲刷会产生流致振动现象,而燃料棒包壳和格架条带的振动将会导致燃料组件受到磨损,从而影响核电厂运行的安全性.为了研究格架条带流致振动的特性及分析方法,采用不带结构的不锈钢平直条带进行流致振动实验,并使用激光多普勒测振仪测量其在水流动条件下的振动特性.实验结果表明:当涡激振动频率在接近固有频率时会发生"锁定"现象;在特定流速区间内,涡激振动频率与流速呈线性关系;通过湿模态模拟方法可以较好地预测平直条带在水中的固有频率.     

高雷诺数条件下二维方柱涡激振动的数值模拟

利用作者编制的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的数值模拟程序,计算了二维方柱在高雷诺数条件下,的横向涡激振动.结果表明:随着折减风速的增加,在特定折减风速条件下,方柱的涡激振动出现锁定现象;由于方柱的自然振动频率和涡激振动系统的旋涡脱落频率的相互作用,涡激振动出现拍的现象;随着折减风速的增加,涡激振动系统的旋涡脱落模式从异相2S (2-single)变化到同相2S,即相位转换现象.该文还将计算结果和文献中的计算结果进行了比较和评价.     

基于分子动力学模拟的流体剪切力学特性分析

考虑固体壁面对流体分子作用力的影响,建立了两平行壁面-流体系统的分子动力学模型,模拟了壁面切向运动对流体的剪切过程,分析了壁面速度对不同离壁距离流体层微观剪切力学特性的影响,研究了剪应变率、工作压力和温度对流体宏观剪切力学特性的作用规律.研究表明:受到分子无规则热运动的影响,不同离壁距离流体层的剪切应力呈现出波动变化状态,但随着流体剪切运动的增强,剪切应力的波动幅值逐渐减小;当壁面切向运动较大时,近壁层流体在运动速度上与壁面之间易出现较大的滑动,壁面-流体出现边界滑移;工作压力及温度影响着分子间距离,压力升高与温度降低都将减小分子间的距离,从而引起流体黏度与剪切应力的增大.      

分布随从力作用下黏弹性悬臂输流管道的稳定性分析

对在流动流体和分布随从力共同作用下的黏弹性输流管道,以Kelvin黏弹性模型和Euler梁模型为基础建立输流管道的运动微分方程,然后采用Galerkin方法对其离散化。通过特征值分析,研究分布随从力、质量比、黏弹性系数对系统失稳临界流速的影响。运用复频率随流速变化的曲线,分析不同的参数作用下系统的振动特性和稳定性。结果表明:分布随从力越大,系统失稳的临界流速越小;随着质量比的增大,临界流速会增大;黏弹性系数增大时,临界流速也会略微增大;悬臂输流管道的失稳方式主要为颤振失稳。     

平板流固耦合振动的数值分析

采用了一种基于紧耦合的流固耦合算法,对流场与柔性平板之间的耦合运动进行了数值模拟.流场部分通过有限体积法求解任意拉格朗日 欧拉描述下的不可压缩N-S方程,而结构则由有限元法离散求解拉格朗日坐标下的弹性动力学方程.在一个时间步内,流场与结构计算区域的交界面上进行多次的数据传递和插值,以保证满足耦合面边界条件.计算了在静止流场中弹性板的自由振动和方柱后部平板的涡激振动现象,监测了平板的振幅和频率以及水动力载荷.通过与前人结果的比较,验证了所采用的流固耦合算法的可靠性.同时,分析了不同的材料参数对于平板耦合运动的影响.流体黏性越大对平板振动的阻尼作用越明显,而流体密度的增加会加速振动的衰减,并降低振动的频率.对于具有较低固有频率的结构,在耦合运动中的振动幅度和频率也较小.
     

错列距离对被动控制双柱体流致振动特性的影响

针对双柱体这种极具代表性的多柱体结构,采用数值方法研究错列距离改变引起的双柱体流致振动特性的变化,分析间隙流与振动响应之间的相互影响关系。结果显示:错列双柱体的振动模态存在周期振动、双周期振动、多周期振动和拟周期振动等多种模态。上游柱体振幅受间距比的影响很小,间距比变化时,最大振动幅值均在约化速度U~*=6时取得。对于下游柱体,振动幅值随间距比大幅变化,尤其是当T=0.6D(D为柱体直径)时。随着来流速度的变化,上下游柱体振幅曲线发生交叉,存在一个临界约化速度U~*_c=7,当U~*U~*_c时,上游柱体振幅低于下游柱体振幅。当T/D0.6、U~*8时,为间隙流主导区。在该区域内,上游柱体脱落的漩涡形成间隙流,附着在下游柱体的表面,使下游柱体的边界层分离提前,柱体振动增强。     

双马达驱动弹性圆柱负载的动力学分析

为了考察双马达驱动系统输出力矩同步性对弹性负载变形与应力分布的影响，研究了简化的双力矩驱动弹性圆柱负载模型.基于连续弹性体的振动理论，建立双力矩驱动弹性圆柱负载的一维扭转振动方程，给出了弹性圆柱负载变形与剪应力的解析解.对解析解的分析表明，当输入力矩完全同步时，变形与剪应力中的奇数阶模态响应将被抑制；数值计算结果表明，当输入不相同的阶跃转矩时，负载的最大剪应力水平将显著增加.     

振动条件下旋流分离器内螺旋流的流固耦合研究

旋流分离器工作时受到外部流体的影响会产生振动,从而影响内部流场分布规律。为研究振动条件下旋流分离器内螺旋流的流固耦合作用,建立振动条件下旋流分离器的双向流固耦合模型,对同种激振频率下不同激振力的流固耦合作用进行数值模拟。结果表明:螺旋流场随着结构一起运动,而结构的运动引起了流场结构的偏移;周期振动下的流场径向速度变大,并随激振力的增大而增加;周期性激振力影响了切向速度的对称性,并使轴向速度近轴区域速度变大;不同截面的结构运动轨迹呈"O"型,振动形态呈抛物线状。     

10MW 高温堆热气导管振动分析

根据１０ＭＷ高温气冷堆热气导管处于内外两股方向相反气流同时作用的具体结构特点，针对实际设计工况，建立了其流动诱发振动的理论模型，即两端简支，受内外两股方向相反气流同时作用的单管振动模型；给出了相应的数学描述和简捷求解方法；通过计算获得了其振动频率随流速的变化关系，和不同流动工况下，失稳时的临界流速，及相应的稳定性图。分析结果表明，热气导管的设计工况完全处于稳定区内，即其在设计工况下运行时，不会产生大振幅的流致振动。     

复合材料立管涡激振动数值计算

基于尺度自适应模拟(SAS)和计算结构力学(CSD),对复合材料海洋热塑性增强立管(Reinforced Thermoplastic Pipe,RTP)涡激振动响应进行数值计算.数值计算了聚氯乙烯(PVC)立管涡激振动响应和复合材料层合板模态,并与实验数据对比,验证了文中双向流固耦合方法和复合材料建模的准确性.并且,分别计算了不同条件下的RTP立管和相同尺寸的钢制立管的涡激振动响应.计算结果表明:来流速度为0.1m/s时,RTP立管都发生了频率锁定现象;RTP立管的来流向振动响应和横向振动响应同样重要,不可忽略;来流向振动响应及流场三维效应导致立管中部区域振动响应的轨迹比较杂乱;来流速度为0.2m/s时,相同尺寸的钢制立管的来流向和横向振幅比RTP立管的小,且钢制立管主要是低阶模态振动;铰-铰约束情况下的RTP立管的振幅相比固定-固定约束情况下的整体上稍大,且主要是2、3阶振型运动.