流致振动能量收集的钝头体几何设计研究

流致振动蕴含着可观的能量, 通过能量收集技术可将其转化为电能. 为提高低速流场中能量转化效率, 本文实验研究了不同截面下钝头体以及它们的宽厚比(W/T)对流致振动能量收集特性的影响, 并通过计算流体动力学(computational fluid dynamic, CFD)仿真分析了尾流特性. 流致振动能量收集装置由压电悬臂梁和不同截面的钝头体构成. 首先搭建了流致振动能量收集风洞实验平台, 钝头体的截面分别设置为矩形、三角形和D形, 宽厚比分别设定为1, 1.3, 1.8和2.5. 然后利用实验方法分析不同形状钝头体的宽厚比(W/T)对位移响应和电压响应的影响规律. 最后通过计算流体动力学模拟揭示实验结果的内在力学机理. 实验结果表明, 当钝头体截面为矩形时, 增大宽厚比可以显著提高电压输出峰值; 当钝头体为三角形和D形时, 增加宽厚比将使系统呈现“驰振”→“驰振 + 涡激振动”→“涡激振动”响应特性变化趋势, 提高了低风速时的能量收集效果. CFD结果解释了实验现象, 即随着宽厚比增加, 钝头体尾流会产生更加强劲的涡街, 显著提高流致振动能量收集效果. 相关结果可优化流致振动能量收集装置结构, 为提高低速流场的能量收集效果提供理论和实验依据.      

近壁面柱体涡激振动的迟滞效应

柱体涡激振动是典型的流固耦合问题,其响应规律标识码在升速流动和远离壁面条件下获得的. 而自然环境流动通常不断经历升速和降速过程,近壁面柱体的涡激振动可呈现与远离标识码体不同的响应特征. 本研究结合大型波流水槽,设计了具有微结构阻尼的柱体涡激振动装置. 基于量纲分析,开展系列水槽标识码验,通过同步测量柱体涡激振动位移时程和绕流流场变化,研究了升降流速作用下柱体涡激振动触发和停振的临界速度(即上临标识码临界速度)变化规律,探究了近壁面柱体涡激振动迟滞效应. 采用自下向上激光扫射的 PIV 流场测量系统,对比分析了固定柱体标识码振动柱体的绕流特征. 实验观测表明,近壁面柱体涡激振动触发的临界速度呈现随壁面间距比减小而逐渐减小的变化趋势;但标识码速条件下的涡激振动停振所对应的下临界速度却明显小于升速时的涡激振动触发所对应的上临界速度. 采用上临界与下临界约标识码差值可定量表征涡激振动迟滞程度,研究发现该值随着柱体间距比减小呈线性增大趋势. 涡激振动迟滞现象通常伴随振幅阶跃标识码阶跃值则随着间距比减小而非线性减小.      

近壁面柱体涡激振动的迟滞效应

柱体涡激振动是典型的流固耦合问题,其响应规律大多是在升速流动和远离壁面条件下获得的.而自然环境流动通常不断经历升速和降速过程,近壁面柱体的涡激振动可呈现与远离壁面柱体不同的响应特征.本研究结合大型波流水槽,设计了具有微结构阻尼的柱体涡激振动装置.基于量纲分析,开展系列水槽模型实验,通过同步测量柱体涡激振动位移时程和绕流流场变化,研究了升降流速作用下柱体涡激振动触发和停振的临界速度(即上临界和下临界速度)变化规律,探究了近壁面柱体涡激振动迟滞效应.采用自下向上激光扫射的PIV流场测量系统,对比分析了固定柱体和涡激振动柱体的绕流特征.实验观测表明,近壁面柱体涡激振动触发的临界速度呈现随壁面间距比减小而逐渐减小的变化趋势;但流动降速条件下的涡激振动停振所对应的下临界速度却明显小于升速时的涡激振动触发所对应的上临界速度.采用上临界与下临界约减速度差值可定量表征涡激振动迟滞程度,研究发现该值随着柱体间距比减小呈线性增大趋势.涡激振动迟滞现象通常伴随振幅阶跃,振幅阶跃值则随着间距比减小而非线性减小.     

T形截面振子的流致振动特性试验研究

近年来人们将流致振动(FIV)作为一种新的能源利用手段,针对圆柱型振子开展了较多的研究。随着研究的深入,发现异型截面振子因振动特性不同于圆柱型振子而具有更好的能量汲取特性。本文利用自循环水槽进行T形截面振子流致振动特性试验研究,对比研究T形振子与圆柱振子的流致振动响应差异,分析其能量捕获能力的优劣及适用范围,以期揭示阻尼比对T形振子的振动特性的影响。结果表明:不同于圆形截面振子,T形截面振子的振动表现为"非自限制"特性,出现驰振分支;增大阻尼会抑制T形截面振子的振动与驰振发生的可能性;相对于圆柱型振子而言,T形振子更适用于大流速下的能量汲取。     

正弦振荡来流下柔性立管涡激振动发展过程

在风浪流的作用下,海洋浮式结构物将带动悬链线立管在水中作周期性往复运动,从而在立管运动方向上产生相对振荡来流,这种振荡来流将激励立管悬垂段发生“间歇性” 的涡激振动. 在海洋工程水池中对一个4m 长的立管微段进行模型试验研究,以探索相对振荡来流作用下立管涡激振动产生的机理及其发展的物理过程. 试验通过振荡装置带动模型作正弦运动来模拟不同最大约化速度U_Rmax、不同KC（Keulegan-Carpenternumber）的相对振荡来流,利用光纤应变片测量立管涡激振动响应. 结合模态分析方法处理试验数据得到位移响应时历,继而提出相对振荡来流下柔性立管涡激振动发展的3 个阶段:建立阶段、锁定阶段以及衰减阶段. 并进一步总结了最大约化速度U_Rmax,KC 对涡激振动发展过程的影响规律. 最终获得不同最大约化速度U_Rmax下,涡激振动各发展阶段随KC 所占时间分布比例图.      

低雷诺数下串列三圆柱涡激振动中的弛振现象及其影响因素

对间距比为1.2和雷诺数为100的串列三圆柱涡激振动进行数值模拟, 发现在某个折合流速之后, 三圆柱的响应均呈现为随着折合流速增大而增大的弛振现象, 平衡位置偏移、低频振动以及旋涡脱落与圆柱运动之间的时机三个因素共同决定了弛振现象的出现. 进一步的研究发现, 串列三圆柱的弛振现象仅出现在质量比不大于2.0和雷诺数不大于100的工况下. 当质量比较大时, 串列三圆柱的平衡位置固定不变, 且圆柱的振动不规律, 使得旋涡脱落与圆柱运动的时机处于变化之中. 当雷诺数较高时, 最上游圆柱的平衡位置在折合流速较大时回到初始位置, 不再参与对圆柱振动的调节, 使得圆柱的振动响应不再规律, 旋涡脱落与圆柱运动的时机也一直处于变化之中.      

柱体流激振动能量俘获理论与技术研究若干进展

潮流能分布广泛,且储量巨大,具备巨大的规模化开发利用价值.流激振动是一种常见的流固耦合现象,通过柱体流激振动能够在流速较低时实现有效的能量转换,基于柱体流激振动的能量俘获技术在未来具备广阔的工程应用前景.近年来,针对柱体结构流激振动特性和能量俘获性能,出现了大量的实验和数值仿真研究工作.文章全面阐述了多种截面形式的单个柱体、柱群结构流激振动能量俘获理论与技术方面的研究进展:对于单个圆柱流激振动能量俘获,目前已基本揭示了被动湍流控制器参数、系统阻尼、雷诺数和边界条件等因素对能量俘获性能的影响规律,基本完成了理论和技术积累;对于非圆截面柱体流激振动能量俘获,已初步明确特定来流攻角、系统质量比、系统阻尼、系统刚度和雷诺数条件下三角形、四边形、多边形与异形等多种截面形式柱体的流激振动作用机理和能量俘获能力;对于柱群的流激振动能量俘获,各柱体振子之间存在流场干涉,需要合理设计柱体排布形式、柱体间距和系统阻尼等参数,实现流体能量俘获最大化.通过综述国内外流激振动能量俘获理论和技术方面的研究进展,对今后该问题的研究进行了力所能及的展望,期望促进流激振动能量俘获理论的发展和流激振动能量转换装置的工程应...     

并列双圆柱流致振动的不对称振动和对称性迟滞研究

对雷诺数Re = 100 间距比s/D = 2.5 和5.0 的并列双圆柱流致振动进行了数值模拟研究, 其中圆柱质量比m = 2.0, 折合流速U_r 在2.0~10.0 之间, 两圆柱仅能做横流向振动. 研究发现, 当间距比s/D = 2.5 时, 在折合流速4.4 < U_r< 4.8区间内, 两圆柱流致振动响应出现不对称振动现象, 在折合流速4.4 < U_r< 4.8 区间内, 两圆柱流致振动响应出现对称性迟滞现象; 而当间距比s/D = 2.5时, 圆柱流致振动响应与单圆柱涡激振动响应相似, 没有出现不对称振动和对称性迟滞现象. 在不对称振动区间内, 两圆柱的升、阻力参数也出现了不相等的情况. 此外, 当两圆柱不对称振动时, 圆柱间隙流稳定地偏斜向其中的一个圆柱; 相应地, 尾涡也出现了宽窄不等的模式. 窄尾流圆柱的振幅和升、阻力均较宽尾流圆柱的大. 通过对比不对称振动现象发生前后的尾涡模式, 对新现象的产生机制进行了阐述.      

基于非线性吸能机理的涡激振动减振理论与实验研究

流致振动现象广泛存在于机械、航空、土木和石油等重要工程领域, 为防止工程结构因流致振动行为而造成疲劳破坏, 有必要对稳定性、动力学响应及其振动控制做深入研究. 本文提出了一种由弹簧和质量块构成的非线性吸能器(nonlinear targeted energy transfer, NTET), 研究了该非线性吸能器对弹性支承圆柱体涡激振动的被动控制影响机制. 基于能量法推导了圆柱体涡激振动非线性被动控制的耦合动力学方程, 通过设计非线性弹簧?质量块构型的NTET, 进一步开展了涡激振动控制的实验研究, 并与理论预测结果进行了较好的对比, 获得提升涡激振动控制效果的最佳参数值. 研究发现, NTET的质量、弹簧刚度以及弹簧预应力等参数会对涡激振动控制效果产生显著的影响. 本文研究结果表明, 该耦合系统中圆柱体和NTET均表现出周期性的稳态振动响应, NTET质量的改变会显著影响系统的耦合频率. 在无预应力状态下, NTET质量越大、刚度越小时, 有更好的减振效果. 当弹簧预应力逐渐增大时, NTET的非线性刚度逐渐变弱, 会降低涡激振动控制性能. 参数分析表明: 随着涡激振动控制性能的提升, 圆柱体的振幅逐渐较小, NTET的振幅逐渐增大, 能量传递效率逐渐提高. 研究结果可为工程中涡激振动控制策略的高效设计提供有用的理论支撑和实验数据.      

倾斜圆柱结构涡激振动研究进展

圆柱结构涡激振动现象在生活中十分常见, 如海洋工程中的管道、土木工程中的高耸建筑、桥梁斜拉索, 核工程中的热交换器等频繁受到涡激振动影响, 诱发结构的疲劳损伤, 甚至破坏失效. 现阶段, 人们对垂直来流作用下圆柱结构涡激振动机理已有较为全面的认识. 然而, 当圆柱倾斜置于流场中, 结构后缘的尾流形态与垂直放置差异显著, 结构与流体的耦合作用机理更为复杂. 为简化倾斜圆柱涡激振动问题, 提出了不相关原则, 来流速度被分解为垂直圆柱结构轴向和平行圆柱结构轴向的两个速度分量, 仅考虑垂直结构轴向速度分量的影响, 忽略平行结构轴向速度分量的影响. 近年来, 针对倾斜圆柱涡激振动及不相关原则的适用性, 出现了大量实验和数值模拟研究成果. 为了深化对倾斜圆柱结构涡激振动相关机理的认知, 本文全面阐述了倾斜圆柱结构涡激振动响应规律、尾迹流场模式和流体力特性等方面的研究进展, 分析了不相关原则的适用范围, 探讨了倾斜圆柱结构涡激振动抑制措施, 并对今后该领域的研究进行了力所能及的展望.      

低雷诺数下串列三圆柱涡激振动中的弛振现象及其影响因素

对间距比为1.2和雷诺数为100的串列三圆柱涡激振动进行数值模拟,发现在某个折合流速之后,三圆柱的响应均呈现为随着折合流速增大而增大的弛振现象,平衡位置偏移、低频振动以及旋涡脱落与圆柱运动之间的时机三个因素共同决定了弛振现象的出现.进一步的研究发现,串列三圆柱的弛振现象仅出现在质量比不大于2.0和雷诺数不大于100的工况下.当质量比较大时,串列三圆柱的平衡位置固定不变,且圆柱的振动不规律,使得旋涡脱落与圆柱运动的时机处于变化之中.当雷诺数较高时,最上游圆柱的平衡位置在折合流速较大时回到初始位置,不再参与对圆柱振动的调节,使得圆柱的振动响应不再规律,旋涡脱落与圆柱运动的时机也一直处于变化之中.     

圆柱固结刚性分离盘结构振动风洞实验研究

分离盘作为常用的流动控制装置之一,对于固定圆柱旋涡脱落具有很好的抑制作用。但是,对于结构振动,固结刚性分离盘是否有类似的抑制作用及控制机制尚待深入研究。本文通过风洞实验,利用非接触式激光位移传感器,研究圆柱固结短分离盘后在"从静止开始"和"连续增加风速"这两种不同的初始条件下的结构响应。结果表明,附加分离盘后,与典型的涡激振动(Vortex-induced vibration, VIV)类似,结构的响应虽然仍然限定在一段风速范围内,但是其幅值比单圆柱VIV幅值大得多。当分离盘长度为0.25D(D为圆柱直径)时,结构响应与圆柱VIV类似,分为两个分支。当分离盘长度为0.4D、0.5D时,结构响应存在明显的迟滞现象,同时,响应会在达到最大振动幅值后突然消失。连续增加风速时,振动随约化速度增加而增强。与典型的涡激振动类似,可以发现明显的频率锁定现象,与典型驰振特性不同。通过FFT分析尾流速度频谱,可以发现,附加分离盘后,频谱中出现大量的高阶谐频成分,它们的出现可能与旋涡脱落模式有关。     

单窄条控制件对横向振荡柱体尾流 2P模式 旋涡脱落的改变

横向强迫振荡柱体尾流控制是柱体涡激振动控制的基础,在海洋、土木等工程中具有重要意义. 横向强迫振荡柱体尾流中存在一种锁频旋涡脱落模式,即在一个振荡周期内柱体上、下侧各脱落旋转方向相反的一对涡,称为2P模式. 本文将相对宽度b/D=0.32的窄条控制件置于横向强迫振荡柱体下游,对振幅比A/D=1.25, 无量纲振频f_e D/V_∞=0.22,雷诺数Re=1 200的2P模式旋涡脱落进行干扰,并通过改变控制件位置,研究旋涡的变化规律. 采用二维大涡模拟和实验验证方法进行研究,在控制件位置范围0.8≤X/D≤3.2, 0.4≤Y/D≤3.2内,得到了2P, 2S, P+S和另外6种新发现的旋涡脱落模式,并对各模式旋涡的形成过程作了详细描述. 在控制件位置平面上给出了各旋涡模式的存在区域,画出了旋涡脱落强度的等值线图,并发现在一个相当大的区域内,旋涡脱落强 度可减小一半以上,尾流变窄. 发现柱体大幅振荡引起的横向剪切流在旋涡生成中起关键作用. 探讨了控制件对横向剪切流的影响,分析了控制件在每种旋涡模式形成中的作用机制.      

绒毛控制圆柱涡激振动的风洞试验研究

利用绒毛对圆柱涡激振动抑制进行了风洞试验研究。通过改变附属绒毛无因次长度L/D比(L为绒毛长度,D为圆柱外径),研究L/D分别为0.6、1.2和1.8的模型在约化速度2~40的范围内对弹性支撑大质量阻尼系数圆柱涡激振动的抑制作用。试验采用激光位移传感器采集圆柱的横向(Y)和顺流向(X)位移,并用烟线测流场以揭示流动控制机理。结果表明,三种无因次长度的绒毛对大质量阻尼系数圆柱的涡激振动都有显著的抑制作用,随着L/D的增加,圆柱Y向无因次位移及功率谱密度幅值减弱,多达73.5%的无因次位移被抑制;且随着L/D的增加,圆柱附属绒毛频率比远离原始圆柱频率比。绒毛改变了圆柱的边界层分离点位置、抑制了边界层的相互作用并改变尾涡结构,从而抑制振动。     

多用途输液立管涡激振动实验研究与疲劳分析

为研究输运不同流体的海洋立管在海流作用下的振动规律,在大型波浪流水槽中进行涡激振动模型实验。实验分别将四种不同质量比的立管模型竖直固定于支架上,立管外部承受不同速度的流体作用,上端施加顶张力。立管模型上均匀布置六个测点,根据每个测点布置的两个应变计,分别测得来流向和横向两个方向振动响应。通过小波变换对实验数据进行去噪处理,利用振型分解法求解立管各点涡激振动位移。考察输运不同流体对立管自振频率以及涡激振动响应的影响,并利用雨流计数法对模型进行疲劳分析。实验结果表明,随质量比增加立管涡激振动频率降低;低质量比的立管更容易产生大位移。     

低雷诺数下弹性圆柱体涡激振动及影响参数分析

利用Fluent软件数值求解不可压缩粘性流体的N-S方程,研究均匀来流Re=200时弹性圆柱体的涡激振动.圆柱体运动简化为质量-弹簧-阻尼系统,将Newmark-β方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动方程,柱体与流体间的非线性耦合作用通过动网格技术实现.详细分析了涡激力系数、柱体位移特征值和尾流涡结构随频率比的变化关系,获得"相位开关"、"拍"等现象.考虑流向振动对横向振动影响时,圆柱体最大横向振幅为0.65倍直径.当固定频率比,而质量比或折合阻尼增大时,圆柱体流向与横向振动均呈非线性衰减趋势,但增大质量比对流向平均位移的偏离起到更好的控制效果.     

带有新型涡激振动抑制罩的圆柱体的水动力特性

通过模型实验和数值模拟计算,研究了带有涡激振动抑制罩的圆截面柱体的水动力特性.模型实验主要测试了柱体上附加谐波型和类圆锥型涡激振动抑制罩的单摆结构在不同流速下发生涡激振动的性质;数值模拟则针对谐波型和圆锥型扰动,在雷诺数Re为102到105范围内,研究其水动力参数,如阻力、升力和涡脱落频率等,随扰动波长和波动强度的变化.模型实验结果表明,在直圆柱开始发生共振的流速下,带抑制罩的柱体的振幅显著降低,而在更高流速下则显著增大.数值模拟结果表明,谐波型和圆锥型扰动具有相似的水动力特性;且在不同Re时,阻力、升力和涡脱落频率具有相似的变化规律;随波动强度的增大,阻力一般逐渐增大,升力则在多数情况下先减小而后增大,而涡脱落频率一般逐渐减小.      

柔性圆柱涡激振动流体力系数识别及其特性

涡激振动是诱发海洋立管、浮式平台系泊缆和海底悬跨管道等柔性圆柱结构疲劳损伤的重要因素.目前,海洋工程中用于柔性圆柱涡激振动预报的流体力系数主要来源刚性圆柱横流向受迫振动的实验数据,存在一定缺陷和误差.本文综合考虑横流向与顺流向振动耦合作用,建立了柔性圆柱涡激振动流体力模型,运用有限元法和最小二乘法确定升力系数、脉动阻力系数和附加质量系数.为了准确识别柔性圆柱涡激振动流体力系数,设计并开展了拖曳水池模型实验,实验用柔性圆柱模型的质量比为1.82,长径比为195.5.通过与刚性圆柱流体力系数对比,深入分析了柔性圆柱流体力系数的特性.结果表明:柔性圆柱在一阶模态控制区,流体力系数随约化速度变化趋势与刚性圆柱大致相似;二阶模态控制区,升力系数和脉动阻力系数显著增大;附加质量系数在响应频率较低时与振动位移的相关性增强;当响应频率较低时,振动位移较大区域为能量耗散区,当响应频率较高时,振动位移较大区域为能量输入区.     

层流条件下并列三圆柱涡激振动响应与尾流形态

应用基于嵌入式压强-力迭代的高精度浸入边界法研究等间距并列三圆柱涡激振动。其中,雷诺数Re=100,间距比T/D=2.0～5.0,圆柱质量比m*=2.0,折合流速Ur=2.0～10.0,忽略振动系统的阻尼且三圆柱仅横向振动。研究发现,圆柱的振动响应随折合流速的增加呈现初始响应分支和下端响应分支两种模式;振幅响应出现不连续现象,且随着间距比的增加,该不连续现象对应的折合流速增加;尾流模式与间距比和折合流速密切相关。共发现六种尾流形态,分别为窄宽窄尾流、不规律尾流、反相同步尾流、调制尾流、同相同步尾流和偏斜尾流。总结并绘制了尾流形态在参数空间[Ur,T/D]内的分区图。     

横向振动方柱波动升力实验研究

本文对均匀流中静止方柱和横向强迫振动的方柱进行了实验研究。实验雷诺数范围为 3×10~3～10~4,振幅与柱截面宽度之比 A/D 达到0.7,实验折合速度范围为 4.5≤V_r≤12。文章重点研究了较高振幅振动柱的锁定现象、波动升力与柱位移之间的相位变化,讨论了方柱涡激振荡、驰振和气动稳定性问题。对流场进行的流动显示,清晰地显示出锁定区涡脱落过程、近尾迹流场随振动频率和振幅的演化规律,从而对振动柱波动升力与相位变化的物理机制获得进一步认识。