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.      

质量比对D形截面柱体流致振动的影响

利用涡激振动进行海流能收集的VIVACE装置是新能源领域的研究热点.应用FLUENT软件采用k-ωSST湍流模型和Newmark-β法,通过数值模拟探究了四个质量比(2, 5, 7和10)在迎流角90°下D形截面柱体的流致振动响应,系统分析了D形截面柱体在横流向上的振动幅值、频率、平衡位置偏移量、尾涡脱落模式以及能量转化效率.所模拟的雷诺数范围为288～2880,对应的约化速度为2～20.结果表明,质量比对D形截面柱体流致振动的影响明显,质量比会改变D形截面柱体流致振动的响应分支.质量比越大, D形截面柱体进入驰振对应的约化速度越低;质量比增大, D形截面柱体平衡位置偏移量相对减小.随着约化速度的增大, D形截面柱体出现了涡激振动、涡激振动-驰振及完全驰振等响应分支.在所模拟的范围内, D形截面柱体高能量转化效率出现在涡激振动分支,而不是在驰振分支;在质量比为10且约化速度为4.5时,一级能量转化效率达到最大值44%.相关研究可为VIVACE装置的振子选型提供参考.     

串列双方柱体流体动力载荷研究

本文通过流动显示,热线测频和流体动载荷测量在水槽中研究了绕经不同柱间距比S/D(S为双柱间距,D为柱体截面宽)串列双方柱体流动特性。实验雷诺数为Re=6×10~3,柱间距比0.5≤S/D≤10实验测量了涡脱落频率、时间平均阻力、动态阻力和动态升力。通过实验结果综合分析给出临界柱间距范围2.5≤(S/D)_(cr)≤3.0,并将串列双方柱流动随柱间距的变化划分为二种流态区。在临界柱间距,作用于双柱体的流体载荷、涡脱落频率以及流谱都发生跃变。文中分析讨论了两个流态区的特性以及在临界柱间距出现的双稳态特性。     

纵向涡对近壁湍流结构的影响

在封闭水槽中用氢气泡方法观察了纵向涡对近壁湍流结构的影响，涡的下洗侧出现了展向距离较宽、流动较稳定的快斑区，流向速度快；涡的上洗侧出现了含有慢斑的区域，流动结构复杂，流向速度慢，纵向涡使下洗侧速度较快的流体流向壁面，使上洗侧速度较慢的流体远离壁面。     

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法的椭圆柱流动特性分析

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法,开展了雷诺数Re=100不同几何参数下单椭圆柱及串列双椭圆柱绕流流场与受力特性对比研究。结果表明,随长短轴比值的增加,单椭圆柱绕流阻力系数先减小后缓慢上升,最大升力系数则随长短轴比值的增大而减小;尾迹流动状态从周期性脱落涡到稳定对称涡。间距是影响串列圆柱及椭圆柱流场流动状态的主要因素,间距较小时,串列圆柱绕流呈周期性脱落涡状态,而椭圆柱则为稳定流动;随着间距增加,上下游圆柱及椭圆柱尾迹均出现卡门涡街现象,且串列椭圆柱临界间距大于串列圆柱。串列椭圆柱阻力的变化规律与圆柱的基本相同,上游平均阻力大于下游阻力;上游椭圆柱阻力随着间距的变大先减小,下游随间距的变大而增加,当间距达到临界间距时上下游阻力跃升,随后出现小幅度波动再逐渐增加,并趋近于相同长短轴比值下单柱体绕流的阻力。     

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法的椭圆柱流动特性分析

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法,开展了雷诺数Re=100不同几何参数下单椭圆柱及串列双椭圆柱绕流流场与受力特性对比研究。结果表明,随长短轴比值的增加,单椭圆柱绕流阻力系数先减小后缓慢上升,最大升力系数则随长短轴比值的增大而减小;尾迹流动状态从周期性脱落涡到稳定对称涡。间距是影响串列圆柱及椭圆柱流场流动状态的主要因素,间距较小时,串列圆柱绕流呈周期性脱落涡状态,而椭圆柱则为稳定流动;随着间距增加,上下游圆柱及椭圆柱尾迹均出现卡门涡街现象,且串列椭圆柱临界间距大于串列圆柱。串列椭圆柱阻力的变化规律与圆柱的基本相同,上游平均阻力大于下游阻力;上游椭圆柱阻力随着间距的变大先减小,下游随间距的变大而增加,当间距达到临界间距时上下游阻力跃升,随后出现小幅度波动再逐渐增加,并趋近于相同长短轴比值下单柱体绕流的阻力。     

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.      

高阻尼比低质量比圆柱涡激振动试验研究

针对圆柱的涡激振动问题,设计开发了高性能循环水槽与超声位移传感器,研究了高阻尼比、低质量比条件下,弹性支撑的刚性圆柱的涡激振动变化规律。结果表明:(1)高阻尼比条件下,振幅主要受独立参数阻尼比、质量比的影响;低质量比条件下,振动频率随流速增大而增大,"锁定区间"较高质量比范围扩大。(2)高阻尼比、低质量比条件下,阻尼的增大会导致振幅减小且"锁定区间"变窄;但振动频率在"锁定区间"内变化趋势一致。(3)高阻尼比、低质量比有利于涡激振动的能量转化,但阻尼不可过大,否则振幅与"锁定区间"均变小,影响电能转化。     

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。     

大柔性圆柱体两自由度涡激振动试验研究

基于模型试验研究了柔性圆柱体两自由度涡激振动问题, 研究了顺流向涡激振动和横向涡激振动的频率与振幅关系, 提出了考虑流固耦合的两自由度涡激振动非线性分析模型. 研究表明, 在不同的流速(雷诺数)范围, 柔性圆柱体顺流向涡激振动与横向涡激振动的频率比和幅值比是不同的; 在非锁定区, 圆柱体的顺流向振动频率与横向振动频率相同, 在锁定区, 圆柱体的顺流向振动频率是横向振动频率的两倍; 在非锁定区, 顺流向振幅与横向振幅比约为1, 而在锁定区, 顺流向振幅与横向振幅比约为1/3~2/3.      

深海采矿系统中悬臂式立管涡激振动分析

不同于传统的海洋立管, 深海采矿系统中的垂直提升管道可以被视为一个底部无约束的柔性悬臂式立管, 工作过程中同样面临涡激振动和柔性变形问题. 本文采用一种无网格离散涡方法和有限元耦合的准三维时域求解数值模型, 系统性地研究了不同流速下悬臂式立管的涡激振动问题. 结果表明: 悬臂式立管的横向振动模态阶数随折合速度增加而增大, 在一定折合速度范围内主导振动模态保持不变; 当主导模态转变时, 对应的横向振幅会发生突降, 但是当新的高阶模态被激发后, 立管振幅随来流速度增加而再次逐渐增大; 在相同的振动模态下, 立管底部位移均方根值随折合速度线性增加, 主导振动频率在模态转变时会出现跳跃现象; 特别地, 本文讨论了三阶主导模态下悬臂式立管的振动响应, 无约束的立管底部呈现出较大的振动能量, 且振幅的驻波特征随折合速度增加而逐渐增强; 本文比较了两端铰支立管与悬臂式立管的涡激振动响应特征, 两者在振幅和主导振动频率两方面均表现出了相同的变化趋势.      

微细三角柱流固耦合动态特性的三维数值研究

在三维双向流固耦合计算基础上使用动网格方法,通过求解不可压缩粘性流体的N-S方程,数值研究了低速流速下(2.5m/s~15m/s)气体绕流微细三角钝体的耦合动态特性及涡激振动特性,得到了运动微细三角柱的升力系数、涡脱频率和振动振幅。观测到了微细三角柱的"锁振"和"拍"现象。接着计算了相同流场条件下的相同尺寸二维三角柱双向流固耦合涡激振动,并将结果与文献及本文中三维模型进行对比发现,三维模型的升力系数的平均幅值、涡脱频率和斯特劳哈尔数较之本文及文献中的二维数值模型较小。     

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.     

不同控制角下附加圆柱对圆柱涡激振动影响

在弹性支撑的圆柱周围布置直径更小圆柱会影响剪切层发展以及旋涡脱落,进而改变其涡激振动状态.通过不同的布置形式和附加小圆柱个数可以实现对圆柱涡激振动的促进或抑制.激励更大幅值的振动可以更好地将水流动能转化为可利用的机械能或电能,抑制其振动则可以实现对海洋平台等结构物的保护.采用基于迭代的嵌入式浸入边界法对前侧对称布置两个小圆柱的圆柱涡激振动进行数值模拟研究,系统仅做横向振动,其中基于主圆柱直径的雷诺数为100,质量比为2.0,折合流速为3～11.小圆柱与主圆柱的直径比为0.125,间隙比为0.125.结果表明,在研究的控制角范围内(30°～90°),附加小圆柱可以很大程度上改变圆柱涡激振动的状态.当控制角较小(30°)时,附加小圆柱对主圆柱的振动起抑制作用;当控制角为45°～60°时,圆柱的振动分为涡振和弛振两个阶段,在弛振阶段,圆柱振幅随折合流速增加而持续增加;当控制角较大(75°～90°)时,附加小圆柱的促进作用随着控制角增加而减小.进一步地,结合一个周期内不同时刻旋涡脱落以及圆周压强分布,解释了附加小圆柱对主圆柱涡激振动的作用机制.应用能量系数对圆柱系统的进一步分析发现,弛振阶段由流体传递到主圆柱的能量系数随折合流速的增加逐渐下降,旋涡结构的改变是产生这种变化的直接原因.     

不同控制角下附加圆柱对圆柱涡激振动影响

在弹性支撑的圆柱周围布置直径更小圆柱会影响剪切层发展以及旋涡脱落,进而改变其涡激振动状态.通过不同的布置形式和附加小圆柱个数可以实现对圆柱涡激振动的促进或抑制.激励更大幅值的振动可以更好地将水流动能转化为可利用的机械能或电能,抑制其振动则可以实现对海洋平台等结构物的保护.采用基于迭代的嵌入式浸入边界法对前侧对称布置两个小圆柱的圆柱涡激振动进行数值模拟研究,系统仅做横向振动,其中基于主圆柱直径的雷诺数为100,质量比为2.0,折合流速为3~11.小圆柱与主圆柱的直径比为0.125,间隙比为0.125.结果表明,在研究的控制角范围内(30°~90°),附加小圆柱可以很大程度上改变圆柱涡激振动的状态.当控制角较小(30°)时,附加小圆柱对主圆柱的振动起抑制作用;当控制角为45°~60°时,圆柱的振动分为涡振和弛振两个阶段,在弛振阶段,圆柱振幅随折合流速增加而持续增加;当控制角较大(75°~90°)时,附加小圆柱的促进作用随着控制角增加而减小.进一步地,结合一个周期内不同时刻旋涡脱落以及圆周压强分布,解释了附加小圆柱对主圆柱涡激振动的作用机制.应用能量系数对圆柱系统的进一步分析发现,弛振阶段由流体传递到主圆柱的能量系数随折合流速的增加逐渐下降,旋涡结构的改变是产生这种变化的直接原因.      

应用PIV对角区非定常马蹄涡结构的实验研究

利用PIV技术研究了柱体与平板层流边界层角区的非定常流动结构,流动显示和PIV测量均 表明角区存在3种非定常的马蹄涡模态,即绕合模态、脱落-绕合模态以及脱落-耗散模态, 一定$Re$数下主涡脱落后既可能表现为脱落-绕合模态,也可能表现为脱落-耗散模态. 这主 要取决于模型头部形状对涡轴造成的拉伸以及耗散和扩散程度. PIV测量表明,随雷诺数增 加主涡下方从壁面喷发的反向二次涡逐步增大形成强度和尺度较大的``涡舌', 该``涡舌' 将突入整个涡系所在的边界层,最终将主涡与上游涡系隔离并使其从旋涡生成区涡系脱落. 马蹄涡非定常摆动时具有较复杂的奇点形态组合和演化,反映涡轴受到了交替的拉伸和压缩 作用.     

等离子体激励器控制圆柱绕流的实验研究

为了发展新型移动附面层控制技术,提升流动控制效率,采用粒子图像测速技术,开展了基于对称布局等离子体气动激励的圆柱绕流控制研究,获得了静止空气下,对称布局激励器诱导流场的演化过程,评估了来流条件下等离子体控制效果,通过等离子体诱导涡实现了虚拟移动附面层控制,分析了诱导涡随时间演化的过程,揭示了圆柱绕流等离子体控制机理.结果表明:(1)在静止空气下,对称布局激励器在刚启动瞬间,会在暴露电极两侧诱导产生一对旋转方向相反的启动涡;随着时间的推移,启动涡逐渐向远离壁面的方向运动;随后,激励器在暴露电极两侧产生了两股速度近似相等,方向相反的诱导射流,诱导射流在柯恩达效应的影响下,朝壁面方向发展.(2)当激励电压峰峰值为19.6 kV,激励频率3 kHz时,施加等离子体气动激励后,圆柱脱落涡得到了较好抑制,圆柱阻力系数减小了21.8%;(3)在来流作用下,对称布局激励器在靠近来流一侧,诱导产生了较为稳定的涡结构.诱导涡通过旋转、运动,促进了壁面附近低能气流与主流之间的掺混,抑制了圆柱绕流流场分离,实现了"虚拟移动附面层控制"效果.与传统移动附面层控制技术相比,基于等离子体气动激励的新型移动附面层控制技术不需要复杂、笨重的机构,不会带来额外的阻力,具有潜在的应用前景.     

等离子体激励器控制圆柱绕流的实验研究

为了发展新型移动附面层控制技术,提升流动控制效率,采用粒子图像测速技术,开展了基于对称布局等离子体气动激励的圆柱绕流控制研究,获得了静止空气下,对称布局激励器诱导流场的演化过程,评估了来流条件下等离子体控制效果,通过等离子体诱导涡实现了虚拟移动附面层控制,分析了诱导涡随时间演化的过程,揭示了圆柱绕流等离子体控制机理.结果表明:(1)在静止空气下,对称布局激励器在刚启动瞬间,会在暴露电极两侧诱导产生一对旋转方向相反的启动涡;随着时间的推移,启动涡逐渐向远离壁面的方向运动;随后,激励器在暴露电极两侧产生了两股速度近似相等,方向相反的诱导射流,诱导射流在柯恩达效应的影响下,朝壁面方向发展.(2)当激励电压峰峰值为19.6 kV,激励频率3kHz时,施加等离子体气动激励后,圆柱脱落涡得到了较好抑制,圆柱阻力系数减小了21.8％;(3)在来流作用下,对称布局激励器在靠近来流一侧,诱导产生了较为稳定的涡结构.诱导涡通过旋转、运动,促进了壁面附近低能气流与主流之间的掺混,抑制了圆柱绕流流场分离,实现了"虚拟移动附面层控制"效果.与传统移动附面层控制技术相比,基于等离子体气动激励的新型移动附面层控制技术不需要复杂、笨重的机构,不会带来额外的阻力,具有潜在的应用前景.      

光纤传感器和压电作动片对薄板振动控制的分析

利用双模模态域光纤传感器的模间干涉感知薄板结构中应变的变化、获得薄板结构振动变化状况，进一步利用压电体作为动元件，减小振幅，实现振动的主动控制，采用振型叠加法和直接积分相结合的方法，从理论上论证薄板分别受到正弦波激振力，脉冲激振力和方波激振力时的振动主动控制，并由脉冲激振下的响应得到控制前后的幅频特性曲线和相频特性曲线．。     

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.