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.      

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.     

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.      

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．     

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.      

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.     

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.      

不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟

采用浸入边界法对细长柔性圆柱在线性剪切流条件下的涡激振动进行三维数值模拟。细长柔性圆柱振动采用三维索模型模拟,其两端铰接,质量比为6,长细比为50,无量纲顶张力为496。来流为线性剪切流,剪切率从0到0.024变化,最大雷诺数为250。研究发现:剪切流作用下柔性立管横流向振动表现为驻波模式,而顺流向振动表现为行波-驻波混合模式。随着剪切率增大,振动频谱呈现多频响应,振动能量逐渐向低频转移。阻力系数平均值随着展向变化,脉动阻力系数和升力系数的均方根值均表现为“双峰”模式。流固能量传递系数沿立管轴向的分布表明,振动激励区集中于高流速区,而振动阻尼区多位于低流速区。剪切率较小时,圆柱的泻涡为平行交叉模式;剪切率较大时,圆柱的泻涡为倾斜泻涡模式,且由于泻涡频率沿立管轴向变化,尾流发生涡裂现象,形成泻涡频率不同的胞格结构。      

串列双圆柱绕流下游圆柱两自由度涡致振动研究

数值研究了串列双圆柱绕流下游圆柱两自由度涡致振动问题，研究发现：(1) 双自由度的圆柱振幅峰值及出现振峰的频率比都比单自由度的大；(2) 尾流圆柱中的升力远大于均匀来流的，而阻力却相反；(3) 下游圆柱的位移响应对于频率比的变化没有均匀来流中的"敏感"；(4) 尾流中，在频率比1.16和0.87之间，出现了明显的"拍"现象，即圆柱的振幅响应包含不同的频率，而在均匀来流中，并无明显的"拍"现象. 采用ALE方法，计算网格采用H-O非交错网格系统，结合分块耦合方法. N-S方程的对流项和扩散项分别采用三阶迎风紧致格式和四阶中心紧致格式离散. 圆柱振动采用弹簧柱体阻尼器模型，柱体的振动方程采用龙格-库塔法求解. 通过模拟柱体和流体之间的非线性耦合作用，成功地捕捉到了"拍"和"相位开关"等现象.     

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...     

正方形排列四圆柱体绕流特性及互扰效应研究

基于计算流体动力学理论,运用大涡模拟方法对雷诺数Re=3900三维正方形排列四圆柱体结构群的绕流问题进行数值计算,主要分析来流攻角与间距比两个参数对四圆柱体结构群流体参数及流场模态的影响。结果表明:来流攻角与间距比均对四圆柱体结构群绕流特性有较强的影响;来流攻角θ=0°、22.5°、45°下,临界间距比分别为3.5、4.0、3.0;间距比的变化会导致下游圆柱表面压力系数分布发生改变;另一方面,间距比较小时,四圆柱体结构之间的互扰作用均以临近效应为主;随间距比增大,上游圆柱尾流对下游圆柱有显著影响,其互扰作用会转变尾激效应。     

不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟

采用浸入边界法对细长柔性圆柱在线性剪切流条件下的涡激振动进行三维数值模拟.细长柔性圆柱振动采用三维索模型模拟,其两端铰接,质量比为6,长细比为50,无量纲顶张力为496.来流为线性剪切流,剪切率从0到0.024变化,最大雷诺数为250.研究发现:剪切流作用下柔性立管横流向振动表现为驻波模式,而顺流向振动表现为行波与驻波混合模式.随着剪切率增大,振动频谱呈现多频响应,振动能量逐渐向低频转移.阻力系数平均值随着展向变化,脉动阻力系数和升力系数的均方根值均表现为"双峰"模式.流固能量传递系数沿立管轴向的分布表明,振动激励区集中于高流速区,而振动阻尼区多位于低流速区.剪切率较小时,圆柱的泻涡为平行交叉模式;剪切率较大时,圆柱的泻涡为倾斜泻涡模式,且由于泻涡频率沿立管轴向变化,尾流发生涡裂现象,形成泻涡频率不同的胞格结构.     

剪切流作用下层合梁非线性振动特性研究

针对剪切流中层合梁的大变形非线性振动问题, 采用高阶剪切变形锯齿理论和冯·卡门应变描述层合梁的变形模式和几何非线性效应, 构建了大变形层合梁非线性振动有限元数值模型; 采用基于任意拉格朗日?欧拉方法的有限体积法求解不可压缩黏性流体纳维-斯托克斯方程, 结合层合梁和流体的耦合界面条件建立了剪切流作用下层合梁流固耦合非线性动力学数值模型, 采用分区并行强耦合方法对层合梁的流致非线性振动响应进行了迭代计算. 研究了不同速度分布的剪切流作用下单层梁和多层复合材料梁的振动响应特性, 并验证了本文数值建模方法的有效性. 结果表明: 剪切流作用下单层梁的振动特性与均匀流作用下的情况不同, 梁的运动轨迹受剪切流影响向下偏斜, 随着速度分布系数增加, 尾部流场中的涡结构发生改变; 刚度比对剪切流作用下层合梁的振动特性有显著影响, 随着刚度比的增加, 层合梁振动的振幅增大, 主导频率下降, 运动轨迹由‘8’字形逐渐变得不对称; 发现了不同厚度比和铺层角度情况下, 层合梁存在定点稳定模式、周期极限环振动模式和非周期振动模式三种不同的振动模式, 改变层合梁铺层角度可实现层合梁周期极限环振动模式向非周期振动模式转变.      

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。     

均匀来流中旋转圆柱黏性绕流的数值研究

从不可压非定常Ｎ－Ｓ方程出发，首次数值求解了均匀来流中圆柱作周向旋转振荡的黏性绕流问题。探讨了旋转角速度振幅、振荡频率及Ｒｅ数等因素对流场结构及其非定常演化过程的影响，并根据计算结果，给出了在旋转振动频率。速度振幅平面内流场涡结构的分区图。     

分块法研究圆柱绕流升阻力

使用新的分块耦合方法，分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值模拟．对于单圆柱绕流，低Re下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近．对于串列双圆柱绕流，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响，计算结果与实验非常吻合，为进一步研究涡致振动提供了依据．     

均匀来流中旋转圆柱黏性绕流的数值研究

从不可压非定常Ｎ－Ｓ方程出发，首次数值求解了均匀来流中圆柱作周向旋转振荡的黏性绕流问题。探讨了旋转角速度振幅、振荡频率及Ｒｅ数等因素对流场结构及其非定常演化过程的影响，并根据计算结果，给出了在旋转振动频率。速度振幅平面内流场涡结构的分区图。     

分块法研究圆柱绕流升阻力

 使用新的分块耦合方法，分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值 模拟. 对于单圆柱绕流，低$Re$下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近. 对于 串列双圆柱绕流，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所 产生的影响，计算结果与实验非常吻合，为进一步研究涡致振动提供了依据.     

三维不等直径串列圆柱绕流的双涡脱落流态频率特征研究

采用大涡模拟方法计算Re=2×10~3三维不等直径串列圆柱(d/D≤1)绕流问题。结果显示,处于双涡脱落流态时,随着串列圆柱间距增加,上游圆柱量纲为一的涡脱频率值St₁总体上升,而下游圆柱量纲为一的涡脱频率值St₂存在先下降后上升的变化规律。在圆柱间距较小的情况下,St₂随着串列圆柱间距的增加而减小,量纲为一的涡脱频率比值、直径比与间距比之间近似满足St₂/St₁∝(L/D)^-1/4(d/D)的幂指数关系;在圆柱间距较大的情况下,圆柱间时均流向速度提高并趋近主流区速度,St₂随间距比增加而上升。在较小直径比串列圆柱情形下,下游圆柱量纲为一的涡脱频率St₂可下降至更低的临界拐点,从而产生“次谐波涡脱锁定”现象。     

流向磁场作用下圆柱绕流的直接数值模拟

绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下$Re=3900$的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大, 流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型, 并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数($Ha$)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强, 近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.