上游静止方柱尾流对下游方柱体尾激振动效应影响

基于半隐式特征线分裂算子有限元法,对低雷诺数下串列布置上游静止方柱--下游双自由度运动方柱体结构的尾激振动问题进行了研究.首先与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后着重分析了雷诺数($Re$)与折减速度$(U_{\rm r})$两个关键参数对下游方柱尾激振动响应的影响,同时将计算结果与单方柱工况进行了对比. 数值计算结果表明,雷诺数和折减速度对下游方柱的振幅、振动频率和运动轨迹等动力响应特性的影响较大.随着雷诺数的增大,双柱系统的互扰效应从以涡激效应为主逐渐转变为尾激效应发挥主导作用,从而导致下游方柱的振动响应增强.单方柱工况结构运动轨迹均呈"8"字形. 然而,下游方柱的运动轨迹会随着雷诺数的增加而变得复杂.雷诺数较小时($Re\!=\!40$, 80),下游方柱的运动轨迹基本为"8"字形. 雷诺数较大时($Re\!=\!120$, 160,200), 下游方柱的运动轨迹会出现双"8"字形. 同时,下游方柱的尾流场特性主要呈现2S, 2S*, 2P, 2T, P+S和稳态6种模式.最后, 通过对流场特性进行分析,揭示了串列双方柱系统尾激振动效应的作用机理.      

低雷诺数串列双方柱流致振动质量比效应的数值研究

为澄清串列双方柱流致振动的质量比效应,采用数值模拟方法,在雷诺数为150时,研究了质量比(m*=3,10,20)对下游方柱振动响应特性的影响规律,分析了下游方柱尾流模态的演变过程,探讨了导致下游方柱振动的流固耦合机制.结果表明:质量比对下游方柱的流致振动有重要影响,低质量比(m*=3)时下游方柱的振动响应更为复杂,随着折减速度的增大,下游方柱并未出现传统"锁定"现象(即振动频率比fy/fn≈1的锁定),而发生了"弱锁定"现象(即fy/fn 1的锁定);随着质量比的增加(m*=10和20),"弱锁定"现象消失,而出现传统"锁定"现象,且下游方柱横流向最大振幅减小.质量比对串列双方柱的柱心间距有明显影响,低质量比(m*=3)时的柱间距在振动锁定区内会急剧减小,而较高质量比(m*=10和20)下的柱间距则变化不大.此外,质量比对串列双方柱的尾流模态和流固耦合机制也有显著影响,其中低质量比(m*=3)下的情况更为多样.     

低雷诺数串列双方柱流致振动质量比效应的数值研究

为澄清串列双方柱流致振动的质量比效应, 采用数值模拟方法, 在雷诺数为150时, 研究了质量比($m^{\ast }=3$, 10, 20)对下游方柱振动响应特性的影响规律, 分析了下游方柱尾流模态的演变过程, 探讨了导致下游方柱振动的流固耦合机制. 结果表明: 质量比对下游方柱的流致振动有重要影响, 低质量比($m^{\ast }=3$)时下游方柱的振动响应更为复杂, 随着折减速度的增大, 下游方柱并未出现传统“锁定”现象(即振动频率比$f_{y}$/$f_{\rm n} \approx1$的锁定), 而发生了“弱锁定”现象(即$f_{y}/f_{\rm n}<1$的锁定); 随着质量比的增加($m^{\ast }=10$和20), “弱锁定”现象消失, 而出现传统“锁定”现象, 且下游方柱横流向最大振幅减小. 质量比对串列双方柱的柱心间距有明显影响, 低质量比($m^{\ast }=3$)时的柱间距在振动锁定区内会急剧减小, 而较高质量比($m^{\ast }=10$和20)下的柱间距则变化不大. 此外, 质量比对串列双方柱的尾流模态和流固耦合机制也有显著影响, 其中低质量比($m^{\ast }=3$)下的情况更为多样.      

平面剪切来流作用下串列布置三圆柱流致运动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对Re=100时,剪切来流作用下串列三圆柱体双自由度流致振动问题进行了数值计算.首先,与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后,着重分析剪切率、固有频率比和折减速度三个关键参数对串列三圆柱体结构流致动力响应及流场特性的影响.数值计算结果表明:剪切率、固有频率比与折减速度对结构振幅和运动轨迹的影响较大.随剪切率的增大,上游圆柱最大振幅的变化与单圆柱工况类似.中下游圆柱最大振幅会增大且会出现双向共振现象,同时,发生共振响应区域会扩大.随固有频率比的增大,上游圆柱顺流向锁定区间范围会减小,而中下游圆柱双向锁定区间会扩大.另一方面,均匀来流作用下,结构运动轨迹以"8"字形和不规则形状为主.随剪切率的增大,锁定区间内运动轨迹会由"8"字形转变为"雨滴"形.在大剪切率与高固有频率比工况下,中游圆柱体结构运动轨迹会出现"双雨滴"形状.最后,通过对流场特性的分析,揭示了剪切来流作用下串列三圆柱结构流致运动响应的内在机理.     

剪切来流作用下串列布置双圆柱流致运动分析

基于任意拉格朗日-欧拉方法,将四步半隐式特征线分裂算子有限元与动网格技术相结合,并发展了一种求解流致振动问题的算法。首先,通过求解文献中经典涡激振动算例来验证本文方法的正确性;然后,着重分析了雷诺数Re=160与间距比Lx/D=5.5工况,折减速度与剪切率两个关键参数对串列排布双圆柱两自由度流致运动特性的影响。计算结果表明:随折减速度的增加,上游圆柱振幅变化与单圆柱工况一致;但是,下游圆柱顺流向振幅的变化较为剧烈,且横流向的振幅曲线中会出现两个峰值。随剪切率的增加,双圆柱体两个方向的频率锁定区间会扩大,尤其对顺流向的振幅影响较大。另外,双圆柱体的运动轨迹以‘8’字形与‘O’形为主。最后,分析了剪切来流对双圆柱体之间互扰机制的影响,以及下游圆柱的涡致动力响应特征所发生的变化。     

平面剪切来流作用下串列布置三圆柱流致运动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对Re=100时,剪切来流作用下串列三圆柱体双自由度流致振动问题进行了数值计算. 首先,与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性. 然后,着重分析剪切率、固有频率比和折减速度三个关键参数对串列三圆柱体结构流致动力响应及流场特性的影响. 数值计算结果表明:剪切率、固有频率比与折减速度对结构振幅和运动轨迹的影响较大. 随剪切率的增大,上游圆柱最大振幅的变化与单圆柱工况类似. 中下游圆柱最大振幅会增大且会出现双向共振现象,同时,发生共振响应区域会扩大. 随固有频率比的增大,上游圆柱顺流向锁定区间范围会减小,而中下游圆柱双向锁定区间会扩大. 另一方面,均匀来流作用下,结构运动轨迹以"8"字形和不规则形状为主. 随剪切率的增大,锁定区间内运动轨迹会由"8"字形转变为"雨滴"形. 在大剪切率与高固有频率比工况下,中游圆柱体结构运动轨迹会出现"双雨滴"形状. 最后,通过对流场特性的分析,揭示了剪切来流作用下串列三圆柱结构流致运动响应的内在机理.      

高雷诺数下多柱绕流特性研究

采用改进的延迟分离涡方法数值模拟了高雷诺数下的柱体绕流,包括单圆柱绕流、单方柱绕流、串列双圆柱绕流和串列双方柱绕流,研究了不同雷诺数下圆柱绕流与方柱绕流的水动力特性.计算结果与实验数据及其他文献的数值计算结果吻合良好,研究表明,单方柱绕流在2.0×10~3Re1.0×10~7范围内未出现类似于单圆柱绕流的阻力危机现象,其平均阻力系数C_d、升力系数均方根C'_1及斯特劳哈尔数S t维持在一定范围内波动.串列双圆柱绕流与串列双方柱绕流中,均选取L/D=2.0,2.5,3.0,3.5和4.0这五中间距比进行计算.串列双圆柱绕流中,当Re=2.2×10~4时,在3.0L/D3.5内存在一临界间距比(L_c/D)使得L_c/D前后上下游圆柱的升阻力系数发生跳跃性变化,且当L/DL_c/D时,下游圆柱的阻力系数为负数.而当Re=3.0×10~6时,则不存在临界间距比,且下游圆柱的阻力系数始终为正数.串列双方柱绕流在Re=1.6×10~4和Re=1.0×10~6两种工况下的临界间距比分别处于3.0L/D3.5和3.5L/D4.0区间内,且当L/DL_c/D时,两个雷诺数下的下游方柱阻力系数均为负数.     

串列布置三圆柱涡激振动频谱特性研究

对串列三圆柱体双自由度涡激振动问题进行了数值计算, 并分析了雷诺数、固有频率比和约化速度对串列三圆柱体结构动力响应及频谱特性的影响. 研究发现: 雷诺数、频率比对上游圆柱的振幅和流体力系数的影响较小. 中游圆柱频率锁定区域随着雷诺数的增大而增大, 其动力响应受上游圆柱尾流的影响较大, 但频率比的影响较小. 同时, 流体力系数在约化速度较小时受雷诺数和频率比的影响较大. 另外, 下游圆柱的振幅和流体力系数受雷诺数及频率比的影响较大. 雷诺数、频率比和约化速度对圆柱流体力系数能量谱密度(PSD)曲线中主峰幅值、频谱成分及波动性的影响较大. 流体力系数PSD曲线波动性的增强, 导致圆柱运动轨迹会从"8"字形转变成不规则形状. 当频率比为2.0时, 上游圆柱尾流出现P$+$S模式, 导致其发生非对称运动, 且升、阻力系数PSD曲线主峰重合. 最后, 激励荷载平均功率值随约化速度的变化趋势与对应的结构动力响应的变化类似. 在同一约化速度区间内, 结构振动响应的强弱与位移的平均功率值成正比. 对不同约化速度区间内的升力系数功率谱密度分析时, 振动频率比($f_{s}/f_{n, y})$对结构振动响应的影响更大.      

NUMERICAL INVESTIGATION ON FLOW-INDUCED VIBRATION OF TWO CYLINDERS IN TANDEM ARRANGEMENTS AND ITS COUPLING MECHANISMS

对雷诺数Re= 100 条件下串列双圆柱的流致振动进行了数值模拟. 圆柱的质量比m^*均为2.0,间距比L/D 为2.0 5.0. 考虑两种工况:(a) 上游圆柱固定,下游圆柱可沿横流向自由振动;(b) 上、下游圆柱均可沿横流向自由振动. 结果表明:无论上游圆柱静止或者振动,下游圆柱横向振幅明显大于单圆柱的. 工况(b) 的下游圆柱最大振幅要大于工况(a) 的,这是由于两圆柱均振动时,两圆柱之间耦合作用增强,上游圆柱的尾流和下游圆柱的振动之间“相互调节” 作用显著. 对工况(b) 的下游圆柱振动和间隙流之间的作用机制进行了详细的研究,发现当上游圆柱脱落的自由剪切层重新附着于下游圆柱上并且完全从间隙之间通过时,下游圆柱的振幅最大.     

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.     

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.      

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。     

低雷诺数下串列布置双圆柱涡激振动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对串列布置双圆柱双自由度涡激振动问题进行了数值模拟计算,并分析了间距比、剪切率、频率比以及折减速度4个参数对圆柱结构动力响应的影响.研究发现:不同固有频率比与剪切率对下游圆柱振动幅值影响较大,然而对上游圆柱振动幅值影响较小.上游圆柱在两个自由度方向达到最大值的折减速度不同,然而下...     

串列双圆柱流致振动的数值模拟及其耦合机制

对雷诺数Re= 100 条件下串列双圆柱的流致振动进行了数值模拟. 圆柱的质量比m*均为2.0,间距比L/D 为2.0 5.0. 考虑两种工况:(a) 上游圆柱固定,下游圆柱可沿横流向自由振动;(b) 上、下游圆柱均可沿横流向自由振动. 结果表明:无论上游圆柱静止或者振动,下游圆柱横向振幅明显大于单圆柱的. 工况(b) 的下游圆柱最大振幅要大于工况(a) 的,这是由于两圆柱均振动时,两圆柱之间耦合作用增强,上游圆柱的尾流和下游圆柱的振动之间“相互调节” 作用显著. 对工况(b) 的下游圆柱振动和间隙流之间的作用机制进行了详细的研究,发现当上游圆柱脱落的自由剪切层重新附着于下游圆柱上并且完全从间隙之间通过时,下游圆柱的振幅最大.      

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。     

圆角化对受迫振动方柱绕流特性影响机理分析

为分析圆角化对低雷诺数下受迫振动方柱绕流特性的影响机理, 对Ansys Fluent软件进行二次开发, 即通过用户自定义函数中的DEFINE_ CG_MOTION宏对柱体周期性受迫振动的函数进行编程, 并对流场计算域进行区域划分以便利用动网格技术中动态层法实现柱体受迫振动, 从而实现对受迫振动柱体绕流流场的流固耦合模拟.在雷诺数Re = 200时, 考虑方柱截面不同圆角的影响, 对均匀流作用下5种圆角化r/D = 1/2, 1/4, 1/5, 1/8和0受迫振动方柱的绕流进行数值模拟, 分析了这5种参数下受迫振动方柱的升阻力系数、尾流涡量和锁定区间的变化规律, 澄清了圆角化对受迫振动方柱稳定性的影响机理.研究表明: 与尖角方柱相比, 圆角化方柱升阻力系数有了明显的减小, 且升力、阻力系数随圆角增大而减小; 低振幅比下圆角方柱的涡旋脱落模式均为2S模态, 涡旋尾迹变窄; 锁定区间范围基本关于F = 1对称, 锁定区间的变化趋势与圆柱类似.      

后柱横向振动串列双圆柱尾迹特性

本文采用电化学显示方法和热线技术就雷诺数为10~2—10~3,后柱横向振动串列双圓柱尾迹和涡街进行了研究。双柱间距为1.5≤s/d≤10,后柱振动振幅为0.1d和0.3d。首先,本文得到了低雷诺数情况下,串列双圆柱绕流旋涡脱落频率随柱间距和雷诺数的变化规律。并且,通过流谱分析,对于出现频率间断现象给予了说明。其次,本文着重研究了振动情况下尾迹特性。当后柱以静止双柱涡脱落频率强迫振动,涡脱落和柱振动之间将发生联锁反应。本文实验揭示了联锁区奇特的涡街流谱——二次涡、涡的聚集和涡街伸长。     

圆柱体双自由度涡激振动轨迹的模型试验

对水平放置的直径 5cm,长120cm的圆柱体开展了双自由度涡激振动模型试验研究. 试验中发现,圆柱体在顺流向上的振动频率表现为"多频"的现象,即不光有2倍横向振动的频率,在某些振动固有频率和约化速度的条件下,还出现了单倍横向振动的频率,从而使圆柱体的轨迹呈现出"卵"形以及"雨滴"形等明显异于传统"8"字形与"新月"形的运动轨迹. 此外,通过研究初步得到了各种其他形式的振动轨迹向"8"字形变化的趋势,并认为不同的横向、顺流向振动固有频率以及流速是导致圆柱体涡激振动轨迹产生多种形式的主要原因.      

串列双圆柱体绕流特性与互扰效应研究

基于大涡模拟(LES)方法对亚临界雷诺数(Re=3900)下三维串列双圆柱体绕流问题进行了数值计算。首先,通过求解单圆柱算例来验证计算模型及参数的正确性。然后,着重分析了不同间距比对双圆柱体的流体力系数的影响,并阐述了双圆柱体流场特性变化及其互扰效应内在机理。研究表明:雷诺数Re=3900时,串列双圆柱体绕流临界间距比在3.9～4.0之间;随着间距比的增加,双圆柱体临近流场中二次涡团形成的区域与三维涡结构均会发生变化,导致其结构表面所受的流体力系数在时间与空间上变化的规律性逐渐减弱;达到临界间距比时,流体力系数的变化会呈现出较强的规律性。     

双分隔板对圆柱体结构流致动力响应影响分析

基于流体计算软件Fluent,对雷诺数Re=150工况下的带双分隔板圆柱体结构流致振动问题进行二维数值模拟,主要分析了折减速度U_r=4.0和U_r=5.0工况下,双分隔板对圆柱体结构近尾流场分布、结构动力响应、流体力系数和频谱特性的影响．研究结果发现：在两种折减速度工况下,分隔板的长度对圆柱体结构的振动响应影响较小．随着双分隔板间距比n₁的增大,圆柱体结构的横流向振幅会逐渐减弱,但当n₁≥0.8时抑制作用会基本失效,并且会激发结构动力响应．同时,双分隔板对圆柱体结构的阻力的抑制效果也会逐渐减弱．然而,仅在U_r=4.0时会对升力产生抑制效果,当0≤n₁≤0.2时较为显著．另一方面,当U_r=4.0时,随双分隔板长度与间距的变化,圆柱体结构的尾流漩涡脱落频率会从单频率模式转为双频率模式．