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.     

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。     

悬浮隧道锚索涡激-参激耦合振动响应分析

针对参激-涡激耦合激励下的悬浮隧道锚索动力响应问题,考虑了流体与结构非线性相互作用,假设涡激升力系数为结构振动位移的多项式,建立与结构运动耦合的涡激升力公式.通过欧拉梁理论和伽辽金法建立和求解锚索在环境激励振动下的运动微分方程,以一个拟建的悬浮隧道锚泊系统设计初步方案为数值算例,结合MATLAB程序并采用龙格-库塔法对锚索动力方程的进行了数值求解,分析了参数激励幅值、频率和流速等关键敏感性因素对锚索参激-涡激耦合振动响应的影响作用,以期为实际工程的设计提供有益的参考.分析结果表明:在涡激-参激联合激励作用下,会激起系统较大响应,系统安全性和稳定性变差;随着参数激励幅值的增加,锚索位移均方根逐渐增大,涡激升力与结构的耦合作用逐渐减小;涡激升力高阶项起到了非线性阻尼的作用,从而模拟涡激振动的振幅自限制性.     

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。     

汽车悬架减振器绕流涡旋动态特性分析

为了麦弗逊悬架运动造成其翼子板内流场特性多变的问题。通过将该问题简化为绕流圆柱平面流场,首先利用 SST方程对静态的圆柱绕流体模型进行理论计算和仿真,获得了稳定涡旋下的升力、阻力系数及斯特劳哈尔数等特征值。在此基础上,分析空气流速、减振器直径、横向振动频率和振幅等结构和动力学参数对涡旋动态特性的影响,获得了平均升力系数和瞬时阻力系数曲线的拟合方程。结果表明,斯特劳哈尔数的最大误差为5%,简化模型忽略减振器结构的三维效应是可以接受的;脱涡频率与减振器直径的倒数成二次关系;横向振动频率则对动态脱涡频率起到了关键作用,且对流场的压力分布影响显著,而横向振幅对无边界流场条件下的涡旋特性及压力场分布影响不大。     

离散涡法模拟不同直径串列圆柱绕流

通过在势流场中嵌入有限数目的点涡来代表局部有旋区域连续分布的涡量,在拉格朗日框架下应用离散涡方法求解非定常涡量方程。从而有效模拟了高雷诺数下不同直径串列圆柱绕流脱落旋涡的动态演化过程,并分析了流场中大尺度旋涡相干结构对前后圆柱受力的影响．结果表明,流场中的小尺度旋涡会被大尺度旋涡卷吸．形成涡量强度更大的旋涡．当大圆柱在前、小圆柱在后布置时,大圆柱的升、阻力系数受影响较小,大圆柱阻力系数基本保持不变,小圆柱阻力系数平均值较小但振幅波动较大,大圆柱的升力系数波动较大,大、小圆柱的升力系数的平均值都基本为0;当小圆柱在前、大圆柱在后布置时,大圆柱阻力系数振幅增大而平均值降低,小圆柱阻力系数振幅减小而平均值增大,大、小圆柱的升力系数趋向于一致,平均值仍然都基本为0．     

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.     

一种基于表面涡方法的流体诱导管束振动计算模型

为了研究热交换器中管束的流体诱导振动问题,提出了一种基于表面涡方法的圆柱绕流计算模型,包括分离点计算模型和流固耦合模型.利用这一模型,分别模拟了Re为2.67×104时单个刚性圆柱和弹性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、振动频率和涡云图等.计算结果反映了流体绕刚性圆柱流动的主要特征,以及弹性圆柱流体诱导振动的限幅和非线性(共振区)特性,所得到的平均阻力系数、升力系数、斯德鲁哈尔频率和最大振动幅值与相关文献中的实验结果具有很好的一致性.该模型具有简便、快捷以及能够对亚临界雷诺数下的流体诱导振动问题进行计算等优点,为多圆柱流体诱导振动问题提供了一种新的计算模型.     

单列圆柱流体诱导振动数值模拟研究

基于表面涡方法和流固耦合模型,研究了雷诺数为2.67×104时的单列圆柱流体诱导振动问题,并计算了涡云图、流体力、振动响应、涡脱落频率等.计算模拟结果很好地重现了刚性单列圆柱在小间隙比(1.5)下以宽、窄尾涡交替和多频为特征的非均匀流态,以及间隙比为2.0时的涡脱落现象.此外,还研究了单列自由振动的弹性圆柱在间隙比为2.0时的流体诱导振动问题,结果表明:在大振幅条件下,流体诱导力在x方向和y方向有较强烈的耦合;随着振幅的减小,x方向振动对y方向振动的影响可以忽略,可采用单自由度的动力学模型假设进行计算.     

电磁力控制圆柱体三维绕流场的脱体涡模拟

利用Maxwell方程组直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,采用脱体涡模拟(DES)方法,在雷诺数Re=3 900时,对电磁力作用下圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果表明,电磁力作用可提高圆柱体边界层内的流体动能,抑制流动分离的产生,减弱圆柱绕流场的三维特性,在电磁力作用参数达到某个临界值后,在圆柱体后方产生射流现象;同时,随着电磁力作用参数的增大,圆柱体压差阻力及其总阻力减小,但摩擦阻力增大,而且电磁力的作用还可以显著减小升力脉动幅值.     

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。     

螺旋线对斜拉索涡激振动特性影响的试验研究

为研究不同参数的螺旋线对斜拉索涡激振动特性和气动力的影响规律,进行了针对表面无螺旋线斜拉索和缠绕不同参数螺旋线斜拉索的节段模型风洞试验,螺旋线参数包括根数、直径和缠绕间距. 结果表明：斜拉索表面缠绕1根螺旋线的涡激振动振幅远大于2根或3根螺旋线;在亚临界雷诺数区,缠绕螺旋线斜拉索的平均气动阻力系数均小于无螺旋线斜拉索,最多可减小10.9%;缠绕2根螺旋线的斜拉索平均阻力系数整体比3根螺旋线小. 斜拉索表面缠绕间距s=8D（D为斜拉索直径）的2根螺旋线时,缠绕直径d<15 mm螺旋线的斜拉索涡激振动现象明显;d ≥15 mm的螺旋线可显著降低斜拉索涡激振动响应幅值,其脉动升力系数相较于无螺旋线斜拉索有明显降低,证明缠绕大直径螺旋线对涡激振动响应控制的有效性. 螺旋线的缠绕间距对斜拉索涡激振动的影响与螺旋线直径有关,当螺旋线直径较小时,缠绕间距对涡激振动的影响并不明显;当螺旋线直径较大时,间距的大小直接影响涡激振动的抑制效果.     

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.     

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.     

大长细比圆柱体顺流向与横向耦合涡激振动的研究

针对大长细比圆柱体的涡激振动问题,建立了柱体顺流向与横向耦合的涡激振动模型,在尾流振子模型的基础上,引入了柱体振动的加速度耦合项,同时考虑到柱体振动瞬时速度的变化,引入了非线性流体力模型.采用有限差分法求解柱体的振动方程,计算结果与实验结果的对比显示,该文模型能较好地模拟大长细比圆柱体涡激振动的重要特性,包括振动频率、振动模态、驻波与行波的特征等.柱体在顺流向的变形曲率与横向的变形曲率在同一量级,说明两个方向的振动对于结构疲劳破坏的贡献同等重要.     

输电塔钢管构件涡激振动数值模拟

用数值模拟方法对钢管构件涡激振动现象进行研究,分别进行了静止圆管绕流数值模拟以及弹簧支撑单自由度圆管绕流数值模拟.结果表明:静止圆管计算工况雷诺数介于20 000~35 000之间,升力系数幅值以及阻力系数均值的平均值分别为1.427和1.273,与前人试验结果较为吻合;涡街形成的决定性因素是物体后部两个分离剪切层的相互作用;发生涡激振动时,顺风向响应要远小于横风向响应;基于单自由度模型进行动网格分析,给出了最大位移比公式以及线性插值关系式,将二维数值模拟应用于三维钢管构件的涡振疲劳分析.     

倾斜柔性抑制圆柱的涡激振动特性

海洋工程中圆柱结构轴向与来流常存在一定倾斜角度,倾斜状态下柔性圆柱涡激振动特性十分复杂,至今仍缺乏倾斜圆柱涡激振动抑制的相关研究.在室内拖曳水池中开展了长度5.6m、倾角30°、长径比350的倾斜柔性圆柱涡激振动抑制实验,采用应变片测量结构顺向流与横向流的应变信息,运用模态分析对应变数据进行分析处理.通过附带螺旋列板装置的抑制圆柱与光滑圆柱实验结果对比,发现螺旋列板对倾斜圆柱涡激振动有一定抑制作用,然而对响应幅值、控制模态等抑制效果并不理想.     

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.     

高阻尼高雷诺数下串列双圆柱尾流激振数值研究

流激振动水流动能转换装置多柱体阵列涉及复杂的尾流激振问题,其运行时柱体振动具有高阻尼、高雷诺数特征.基于雷诺平均Navier-Stokes方程,结合SST k-ω湍流模型和任意拉格朗日-欧拉流固耦合动网格控制方法建立串列双圆柱尾流激振数值模型,重点考察小间距比(两圆柱中心距离与圆柱外径之比)、高阻尼、高雷诺数条件下串列双圆柱的尾流激振特性.计算时间距比分别为1.5、2、3、4、20,振动圆柱阻尼比为0.12,雷诺数范围为17 000～98 000.结果表明,不同间距条件下下游圆柱振动表现为驰振、分离的涡激振动-驰振、涡激振动等不同的振动特性,振动特性的不同与上游圆柱后面的尾流形态及其剪切层重附于下游圆柱的方式密切相关,间距比为1.5、2时上游圆柱分离出来的剪切层交互式地重附于下游圆柱,使下游圆柱振动表现为驰振;间距比为3、4时下游圆柱振动表现为分离的涡激振动-驰振振动形式,此振动形式的出现与恒定式的剪切层重附方式或剪切层未发生卷曲有关.