运用修正剪应力输运湍流模型模拟双自由度涡激振动

针对低质量比圆柱双自由度涡激振动振幅响应的数值模拟结果小于实验值的问题,基于OpenFOAM开源软件,对标准剪应力输运(SST)湍流模型以及数值模拟方法进行了修正,并通过圆柱绕流算例进行验证.运用扫频法,对约化速度为2~14,质量比m~*=2.6的圆柱双自由度涡激振动进行了数值模拟,并对结果进行了详细的分析与对比.结果表明,与标准SST模型的结果相比,采用修正SST模型的数值模拟结果与实验数据更为接近,运用扫频法能更好地体现涡激振动的非线性特性.文中提出的修正模型可以应用于海洋立管涡激振动的预报.     

圆柱两自由度涡激振动的数值模拟研究

利用自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,计算了在低雷诺数Re=100条件下圆柱的两自由度涡激振动,涡激振动系统的折减阻尼比M*ε=0.020 8.结果表明,随着折减风速的增加,振动系统依次经历以流向涡激振动和以横向涡激振动为主导的两个锁定区域.结合笔者以前关于圆柱单自由度横向涡激振动的研究工作,考察了流向自由度对横向涡激振动的影响.结果表明,在低雷诺数和低折减阻尼条件下,流向自由度对横向自由度的涡激振动基本没有影响,从而验证了已有的基于实验研究的结论.     

质量比对二自由度圆柱涡激振动影响的计算研究

利用Fluent平台的用户自定义程序(UDF)以及动网格模型,实现圆柱运动方程的一种迭代求解算法,对二自由度弹性支承圆柱体在一定约化速度下的涡激响应进行数值模拟;探讨不同质量比对涡激响应升力的影响。研究表明:采用的迭代求解算法能对弹性支承圆柱涡激振动做出合理预测;质量比对涡激响应的升力影响显著,不仅低质量比圆柱产生的振幅更大,低质量比较高质量比能产生更大的升力系数,且升力相对横向位移的"相位突跳"现象对应的约化来流速度U*更大;圆柱运动轨迹从最初的弧型转变至"8"字型,而后"8"字型逐渐消失并转变为水滴形。     

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.     

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.     

阶梯状来流中立管的涡激振动响应预报

将变参数受拉柔性梁的有限元模态分析与涡激振动预报结合在一起,建立了变参数柔性立管的横向涡激振动预报模型,考虑到海洋立管的模态信息与涡激振动响应高度耦合,为合理计算附加质量对模态信息的影响,模态分析与涡激振动响应预报迭代进行.其中,使用有限元方法对立管进行模态分析,考虑了质量、拉力、抗弯刚度沿立管轴向的变化;在此基础上,涡激振动响应计算在各个模态上分别进行.在出现多模态参与的情况时,比较各模态的振幅,对模态受力进行折减.与近期阶梯状来流作用下立管涡激振动实验结果的比较显示,本文模型是有效的.     

方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟

为了研究二维刚体方柱的涡激振动和非定常绕流,利用计算流体力学软件Fluent6.0,引入雷诺应力模型求解不可压粘性流体Navier-Stokes方程,将Newmark-β方法的代码嵌入用户自定义函数(UDF)同软件连接来求解方柱的动力响应.用分块的方法建立初始网格,方柱和流场的耦合作用通过Fluent的动网格技术来实现,进行雷诺数从7000到42000范围内的模拟.得到静止方柱的升阻力系数和涡脱频率,其中雷诺数为22000结果与试验一致;同时得到方柱振动的位移和速度时程,以及"频率锁定"、"拍"和锁定段的位移"失谐"现象.     

流线型箱梁涡激共振响应模型尺寸效应

针对闭口流线型钢箱梁涡激共振响应风洞试验研究中存在的尺寸效应问题,依托广东南沙至中山高速公路洪奇门特大桥,采用风洞试验和计算流体动力学相结合的方法进行研究. 首先分析了两种几何缩尺比下闭口流线型箱梁节段模型风洞试验中涡激共振响应的差异;然后,采用流固耦合数值模拟方法计算了不同缩尺比闭口流线型箱梁断面涡振响应. 结果表明：闭口流线型钢箱梁涡激共振响应存在明显的模型尺寸效应,表现为常规比例（λL=1/60）主梁节段模型涡振振幅大于大比例（λL=1/30）主梁节段模型涡振振幅;二维数值模拟计算得到的涡激共振响应锁定风速区间、振幅与风洞试验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的精度,同时也表明模型长宽比及试验阻塞率的差异不是闭口流线型箱梁涡激共振尺寸效应的主要影响因素;随着主梁断面模型缩尺比的增大,其涡激共振响应总体呈现下降趋势,且不同缩尺比下主梁断面静态绕流流场的涡脱频率分布存在显著差异.     

既有拱桥光彩亮化改造后吊索的涡振性能

为确定既有拱桥亮化改造后柔性吊索的涡激共振性能，结合数值模拟和风洞试验 开展了研究 . 针对既有吊索和新增吊索的亮化方案，对典型断面在不同来流风向下的绕流特 性进行了模拟，并讨论了气动力系数和旋涡脱落行为随风向角的演变规律. 然后，通过节段模 型风洞试验测试了吊索在不同风向角来流作用下的涡振响应，并结合数值模拟的结果对试验 现象进行了分析. 结果表明：在既有吊索上安装亮化灯具显著改变了其涡振性能. 当来流风垂 直于桥轴线时，沿索轴方向两种典型截面的旋涡脱落频率、强度有较大差异，减小了吊索整体 发生涡激共振的可能；当来流风向角在 30°附近时，两种典型截面的旋涡脱落特性趋于一致， 增大了吊索整体发生涡激共振的可能 . 新增吊索更为轻柔，外包矩形灯罩后发生涡激共振的 可能性很大，需要考虑必要的抑振措施.     

自动网格体系在柱体绕流大涡模拟中的适用性评估

为了评估基于snappyHexMesh方法生成的自动网格体系在二维柱体绕流大涡模拟中的适用性,比较了该自动网格体系与人工网格体系对于Re为3 900圆柱绕流和Re为22 000方柱绕流的数值模拟结果。通过设置合理的计算域以及数值格式,采用snappyHexMesh自动网格以及人工网格的算例都表现出良好的数值稳定性。将不同网格体系的数值模拟结果与物理试验结果进行对比,结果表明,采用snappyHexMesh网格可以提高数值求解效率;圆柱绕流对网格体系的变化比较敏感,不同密度的snappyHexMesh网格会显著影响圆柱气动力特征以及尾流区域的流场结果;snappyHexMesh网格体系可以准确预测方柱绕流,在方柱绕流大涡模拟中具有相较于圆柱绕流更好的适用性。     

考虑预应力分布的立管涡激振动特性分析

针对立管结构中存在着复杂预应力分布的现象,提出了考虑复杂预应力的立管涡激振动问题.基于梁结构理论,从应力-应变方程出发,建立了含复杂预应力的立管结构运动控制微分方程.对剪切流作用下典型顶张立管的涡激振动问题进行了数值计算,对比了复杂预应力对立管结构的自然频率、振型及典型节点振动特性的影响.计算结果表明,复杂预应力的存在对立管结构的动力特性有着重要的影响,特别是结构自然频率.文中所提出的方法可为复杂载荷作用下的立管结构动力特性问题的研究提供新思路.     

深水立管涡激振动单模态响应时频联合预报模型

利用基于圆柱体的受迫振荡试验数据提出的流体力模型,依据VIVANA的频域方法识别主导响应频率并建立升力和阻力模型,推导立管涡激振动单模态响应时频联合预报模型,在时域内通过迭代求解出立管的单模态涡激振动响应.结果表明:所推导的时频联合预报模型可用来预测立管的主导响应频率,对于低流速下激励出的单模态响应预报结果与试验结果吻合较好;对于高流速激励出的多模态参与的响应,整体响应及振型预测较好,但不能很好地预测出某些局部峰值.     

涡激振动对管道液固两相流流场的影响

采用以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型和计算流体动力学(CFD)技术模拟涡激振动下的管道内部液固两相流流动,研究了涡激振动对深海采矿矿物颗粒水利提升的影响.通过对3种涡激振动工况下液固两相流流场计算分析,发现管道的涡激振动会改变颗粒轴向速度分布和颗粒浓度分布.在涡激振动作用下颗粒轴向速度分布发生"波动"现象,颗粒浓度分布发生周期性的变化,局部浓度明显提高.     

中央稳定板对分体箱梁桥梁的涡振控制

以一座分体箱梁桥梁为背景,通过计算流体动力学(CFD)数值模拟和节段模型风洞试验,分别对上、下中央稳定板作用于分体箱梁的涡振控制效果展开研究.发现随着中央稳定板高度的增加,竖向涡振性能都是先变好再变差,分别在0.4倍梁高上稳定板时和0.2倍梁高下稳定板时竖向涡振振幅最小;增设上稳定板时加大了扭转涡振振幅,而下稳定板明显减小了扭转涡振振幅.CFD模拟的涡度场和压强场对比还表明,中央稳定板改变了槽中漩涡的运动方式和下风侧两端上下表面的压强,从而明显改变了竖向涡振的振幅.综合结果发现,0.2倍梁高下稳定板的涡振控制效果最好,而0.8倍梁高上稳定板的涡振控制效果最不利.     

台风螺旋结构的分析

通过研究不同发展阶段的台风水平涡管的分布,发现台风里螺旋云带的结构并非都呈现旋转上升的形状.在水平涡矢与垂直速度水平分布满足右手螺旋法则的情况下,当上下切向风差别很大时,水平涡矢与台风的径向风方向相平行,螺旋云带的结构与径向风方向相平行;当台风辐合增强时,水平涡矢与台风的切向风方向相平行,因此螺旋云带的结构也与切向风方向相平行.另一方面,除海表面以外,台风里低层的风速一般大于高层,所以水平涡矢的方向一般背向台风中心.由于台风存在强烈的上升运动,因此方向背向台风中心的水平涡管在垂直速度的抬升下,逐渐转变为气旋性的垂直涡管,使台风的涡度增强,这样能量逐渐由低层传递到高层.     

基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟

为了分析基于涡致振动的内置双晶压电悬臂梁柔性圆管压电能量收集结构的运动机理和性能,对其进行了流固耦合和压电耦合数值模拟。对一端固定一端自由的柔性圆管进行了流固耦合数值模拟,在流速为1.1 m/s,柔性圆管直径D为0.03 m,高度为0.11 m时,该结构的涡致振动能够处于稳定的锁频状态。对折合速度为1.3～4.0,中心距为3D～6D的前置等径刚性圆柱阻流体的柔性圆管进行了流固耦合和压电耦合的数值模拟。研究结果表明,柔性圆管的振幅响应和压电悬臂梁的开路输出电压均随折合速度的增大而增大,在仿真参数范围内,结构的振幅响应和输出电压时程曲线均为稳定的周期函数。当折合流速为4.0,中心距为5D时,结构产生的振幅最大,为2.38×10~(-3) m,电压为6.75 V。证明了根据不同流速,可以通过调节圆管的结构参数以使涡致振动产生锁频现象,从而得到最大振幅和输出电压,进而可将其用于电能收集,为下一步能量收集结构的实验制备提供了理论参考。     

管束间气液两相流动的数值计算方法

对单相流体圆柱绕流以及管束间气液两相流动的数值计算方法进行了综述,在对各种方法进行介绍分析的基础上,着重阐述了使用离散涡方法进行管束间气液两相流动现象数值模拟计算的有关问题及其解决方法的一些新设想．     

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.     

跨音压气机转子叶尖流场中诱导涡的讨论和分析

Van Zante等首次提出了诱导涡的概念,在研究诱导涡与压气机叶尖流场的关系之前需要回答"诱导涡是否存在"这一问题。为此以跨音转子NASA Rotor 35为研究对象,采用四种不同的网格配置在80%设计转速下进行单通道数值模拟。数值计算均捕捉到了流场的主要特征,与实验结果符合较好;但没有出现所谓的诱导涡,因此对叶尖区流场的关注焦点仍然可以集中在叶顶间隙泄漏流本身。尽管如此,近机匣壁网格不断加密还是会对泄漏流的轨迹产生影响;因此Van Zante等提出的用来评估壁面剪切层强弱的参数VD依旧具有参考价值,只是针对其物理意义的解释需要重新阐述。     

超大跨度悬索桥涡激振动响应与振动控制

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,^{在忽略气动刚度和气动阻尼影响时,}通过简化Scanlan^{经验非线性涡激力数学模型得到简谐涡激力数学模型。然后以各竖向模态涡振最大位移响应为优化目标,基于液体黏滞阻尼器参数敏感性分析和}TMD参数优化设计方法,分别确定阻尼器参数和TMD参数。最后探讨了黏滞阻尼器耗能系统控制悬索桥多阶竖向模态涡振的可行性,详细分析了TMD系统控制涡激振动的效果。结果表明：在塔梁间设置黏滞阻尼器对各竖向模态主要起振区域的涡振位移控制效果不理想;TMD系统能有效抑制常遇风速范围内加劲梁的多阶竖向模态涡振响应,将最大振幅严格控制在容许值以内,提高了加劲梁抵抗涡振变形的能力。