低雷诺数下方柱和圆柱涡致振动的数值分析

通过数值求解二维不可压粘性流体的N-S方程,研究了方柱和圆柱在低雷诺数（Re＝90～130）下的涡致振动．柱体振动对流体的影响用动网格法模拟,N-S方程采用时步分裂技术先求出中间速度场,再用多重网格法求解泊松方程得到压力场,最后根据压力场对中间速度场进行修正．柱体的振动方程用Newmark-β法求解．通过计算柱体和流体的相互作用,成功地捕捉到了“锁定”和“拍”现象．计算结果与实验结果相当吻合,并和已有的用任意拉格朗日-欧拉公式有限元法计算的结果进行了比较．     

基于重叠网格法的斜拉索涡激振动分析

斜拉索为细长结构,其阻尼比较小,容易发生涡激振动.为研究斜拉索涡激振动响应特性,结合CFD方法和重叠网格技术,对斜拉索二维模型进行了研究.利用CFD软件Fluent求解二维不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程,并通过Fluent提供的UDF接口,嵌入自编Newmark-β 法程序,求解两自由度结构动力响应方程...     

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。     

考虑桩土共同作用的桩基涡致振动

针对目前跨海大桥兴建过程中频繁出现的涡致桩基破坏问题进行研究,给出一套考虑桩土作用的计算方法.认为动荷载作用下桩基础的承载能力取决于桩与周围土体之间的动力相互作用的结果,研究上部涡振荷载作用下桩基动力反应必须基于桩土共同作用的原理.为了充分考虑桩土相互作用对单桩反应的影响,建立了桩土相互作用的模型,采用Novak动力地基理论,得到并求解桩土共同作用下的振动方程.针对多土层的实际情况,利用传递矩阵法的理论计算不同土层之间的荷载传递,计算得到桩基的柔度矩阵.根据涡致振动荷载的特点,重点考虑其中横向力部分的作用,研究其荷载分布.根据得到涡振输入荷载与考虑桩土共同作用的桩基柔度矩阵,给出了一套可行的理论计算方法.     

涡发生器作用下圆柱涡激振动特性的试验研究

采用三角形涡发生器,选取不同的发生器构型、风偏角及风攻角进行风洞试验.结果表明:涡发生器能够缩短圆柱涡激振动的锁定区间,降低涡激振动的振幅.风偏角和风攻角的选取对控制效果有较大影响,当风攻角为70°时,控制效果最好.即使涡发生器设置在分离点之前距离较远处,也能对边界层起到较好的控制作用.涡发生器推迟了圆柱表面边界层的分离,对流场三维特性的影响表现在降低了圆柱表面风压展向相关性.     

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铜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...     

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.     

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.     

水流作用下圆柱体的涡激振动分析

以弹性支承的刚性圆柱体为研究对象,把流体对结构的作用力分成升力FL和流体反力FR两部分,建立了一种分析圆柱体涡激振动的方法。该方法把结构振动的微分方程转化为振幅与频率的代数方程,并给出了流体力系数的经验公式。实例计算表明,圆柱体的涡激振动主要受无量纲参数折算速度的控制,一般在折算速度Vr为4.0—9.0时,发生频率的锁定现象。该方法是预测圆柱体涡激振动的一种实用方法。     

Euler-Bernoulli海洋立管涡致强迫振动响应研究

针对海洋立管(Pipe-in-pipe,PIP)系统在海水作用下发生的振动问题,开展了对PIP系统在涡致强迫振动下的动力学响应研究,分析了在涡致强迫振动下海洋立管外管直径、轴向拉力、外激力频率对海洋立管位移响应的影响规律。基于Euler-Bernoulli双梁模型,采用Lamb-Oseen涡模型,建立了动力学模型,利用格林函数法求得该强迫振动的稳态响应。结果表明,随着管道直径增加,外激力增加,产生最大力幅值的位置离管道越远;轴向拉力对外部管道的影响较大,对内部管道的影响较小;无因次频率取0.4时,外部管道位移超出允许变形极限,内外管壁发生周期碰撞,易对海洋立管造成损伤。     

绕NACA0009水翼锁频特性试验研究

试验基于涡激振动同步测量系统,采用了来流速度连续变化控制技术,通过对水翼尖端变形和对尾流场结构的精确测量,研究了来流速度连续线性变化的条件下绕NACA 0009水翼的涡激振动响应和锁频特性. 结果表明：水翼在进入和退出锁频区间时,会发生“幅度跳跃”现象,即结构的振动幅度会出现相差百倍的显著变化;在锁频区间内观察到“频率增加”现象,即结构的固有频率会跟随来流速度缓慢增加. 综合分析了水翼锁频时旋涡演化、尖端位移和结构振动速度三者的作用关系,可为涡激振动耦合关系和锁频机理提供更多的试验依据.     

基于网格的海洋工程立管优化设计平台研究

针对网格计算的分布性、异构性等本质特征导致其未能有效地解决海洋工程装备中立管系统的涡激振动所引起的严重灾害问题,提出了层次型海洋工程优化复合网格体系结构,研究了优化设计的任务分解和协同方法,探讨了其协同设计的实现模式.在此基础上,以圆柱迎流方向放置附属物抑制其所受升力为目的,进行优化设计,优化结果表明合理放置附属物能够有效地降低圆柱所受升力.研究结果表明:层次型的网格平台能够为立管系统优化设计提供切实可行的研究环境,并且基于网格协同优化设计是优化立管系统的有效手段.     

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.     

多维流场的贴体网格生成方法

本文利用一种新的插值方法,在配点法的意义下,给出了从计算平面到物理平面一种对应关系。公式简单、易于实现,且大大降低了网格生成的计算量。     

嵌套重叠网格的构造策略及其隐式切割

高质量网格的设计与生成是复杂流动CFD精确计算最主要的决定性因素之一．本文通过采用新颖的多层嵌套重叠网格策略、可靠的重叠网格切割准则、快速的多级网格切割方法和高效的隐式切割技术,发展了一种多层多块隐式嵌套重叠网格技术以及相应的多级多重网格流动计算方法．在生成嵌套重叠网格时,只需要初始网格和边界条件,而无需人工干预,实现了嵌套重叠网格的自动切割．对某级网格进行多重网格流动计算时,仅考虑该级网格的嵌套重叠切割处理,而忽略低级粗网格的网格切割影响,有效提高了流动的计算效率．两个典型的复杂流动算例的计算结果与实验值吻合良好,证明了本文方法的可靠性．     

流线型箱梁断面涡激力展向相关试验研究

针对闭口流线型主梁结构涡激力展向相关性问题,在均匀流场条件下分别对振动状态和静止状态流线型主梁节段模型进行了不同风攻角的涡激力展向相关性试验研究,分别分析了流线型主梁断面涡激振动响应、涡激力展向相关性及主梁表面压力等.结果表明:振动状态主梁断面涡激力展向相关系数与振幅、锁定区风速等相关,锁定区上升段主梁断面涡激力展向相关系数大于锁定区最大振幅处主梁断面涡激力展向相关系数,扭转涡振锁定区升力矩展向相关系数大于竖向涡振锁定区竖向涡激力展向相关系数;振动状态主梁断面测点压力系数展向相关系数与振幅相关,振幅越大则相关系数越大.     

密实度对10 MW垂直轴风力机气动性能的影响

为研究密实度对10 MW级直叶片垂直轴风力机气动性能的影响,采用计算流体力学的方法,对二维非定常流场进行数值模拟,通过重叠网格技术对旋转域运动结果进行分析与研究,重点分析了叶片数量和弦长这两个影响密实度的重要参数对风力机能量利用率的影响。研究结果表明：叶片数量和弦长的变化均会对垂直轴风力机气动性能产生影响,且改变叶片数量产生的影响更加明显。研究结果为风力机参数选择提供了参考依据。     

穿浪双体船艏部分段模型入水砰击的数值仿真

基于商用CFD软件,结合重叠网格技术,模拟了某穿浪双体船艏部三维模型入水砰击,将模拟结果与试验数值结果和试验过程图像进行对比,以验证方法的准确性和有效性.进一步研究了双体船湿甲板砰击机理及发展过程,结果表明砰击的发展与分段模型下方残留气体溢出有关,且砰击的发展时间与连接桥下方气体的溢出时间接近,随着跌落高度的增加,气体压缩、液体飞溅等非线性因素产生的作用力与阻碍物体运动所需的砰击压力比例逐渐趋于稳定;而随着分段模型质量的增加,入水后的加速度峰值明显降低,当分段模型质量达到一定值时,加速度峰值和砰击压力峰值不受分段模型质量影响,逐渐趋于稳定值.     

水陆两栖飞机全机模型静水滑行水动性能预报

水面起飞性能是水面飞行器的基本性能,也是总体技术的核心,涉及多个学科领域.水陆两栖飞机水面高速滑行水动力性能与排水型船不同,具有速度高、运动复杂等特点,高速滑行时一方面受到较大的水动升力,另一方面受到机翼的升力.结合水陆两栖飞机水面高速滑行特点,利用雷诺平均法(Reynolds average navier-stokes,RAN S)数值方法和重叠网格技术对水陆两栖飞机全机模型开展数值仿真模拟,分析了 自由液面水气分布、机身底部压力分布特征,并将阻力、姿态和升沉与水池模型试验结果进行对比,验证了数值方法的准确性,为水陆两栖飞机静水滑行水动性能数值预报提供技术基础.