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.     

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.      

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼 振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作 用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的 振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$ 随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta $的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast $值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV 响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态. 在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.     

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分析了圆柱、柱锥形及回形纳米碳管弹簧在轴向载荷作用下的变形,给出了它们轴向刚 度$K_{\rm p}$的统一表达式. 为验证$K_{\rm p}$公式的有效性,还将圆柱形碳管纳米弹簧$K_{\rm p}$ 的理论解和相应的试验结果、有限元结果进行了比较. 结果发现,碳管纳米弹簧的$K_{\rm p}$ 理论解和试验结果、有限元结果均较为接近.     

圆柱涡激振动的结构-尾流振子耦合模型研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta$的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast$值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态.在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.      

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_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.     

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.     

16MnR钢缺口试样解理断裂行为研究

研究了低合金热轧钢16MnR缺口试样在$-196\,{^\circ}$C和$-130\,{^\circ}$C的解理断裂机 理. 拉伸试验、单、双缺口四点弯曲实验、断口形貌观察以及有限元分析结果表明, 缺口试 样发生解理断裂时均起裂于夹杂物粒子, 一种位于缺口根部前端(IC型), 另一种位于距缺口 根部较远的条形裂纹前端(SIC型); 且随温度升高, 起裂源的类型从$-196\,{^\circ}$C下的IC 型转变为$-130\,{^\circ}$C下的SIC型. 微裂纹均形核于夹杂物, 最终的断裂由铁素体晶粒尺 寸的微裂纹扩展控制. 缺口试样IC型解理断裂遵循裂纹形核条 件$\varepsilon_{\rm p} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和裂纹扩展条件$\sigma_{yy} \ge \sigma_{f}$, 而SIC型解理断裂条件则演化为$\varepsilon_{\rm p}+\varepsilon_{\rm ps} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和$\sigma_{yy} +\sigma_{yy{\rm s}} \ge \sigma_{f}$.     

分段吸气高层建筑减阻性能的数值研究

为减小高层建筑的风致阻力, 采用CFD方法研究了主动吸气控制下高层建筑模型的风载荷减阻性能, 分析了竖向开孔位置、吸气孔高度和吸气速度等参数对减阻性能的影响, 并详细展示流场,讨论吸气控制机理. 结果表明: 保持流量系数不变, 增加吸气孔高度(或减小吸气速度)使得模型各表面的风压折减效 率$\eta_{\rm{PR}}$, 阻 力折减效率$\eta_{\rm{DR}}$和基底弯矩折减效率$\eta_{\rm{MR}}$增大, 且只有$\eta_{\rm{MR}}$在较大吸气孔高度时超过1.0. 拟合了$\eta_{\rm{DR}}$ 和$\eta_{\rm{MR}}$关于吸气孔中心高度、吸气孔高度和吸气速度的经验公式, 为分段吸气控制的应用提供参考. 基于最大风压折减效率和最小吸气功率,比较了 各分段吸气模型和全高吸气模型的减阻性能, 发现全高吸气模型的减阻性能优于分段吸气模型. 可在高层建筑中上部设置吸气装置来减小基底弯矩或改善其局部风压特性.     

同轴双方柱气动力载荷的相互干扰

本文研究了在大气边界层气流中同轴双方柱气动力载荷的相互干扰,讨论了这种干扰与风向角和间距比之间的关系.结果表明处于相邻方柱的干扰下,上游方柱的最大气动力载荷大于单体的载荷;而下游方柱则受到前柱明显的阻挡作用,不仅如此,当风向角为0°,小间距下的后柱,不但没有阻力,还会受到反向的摧力.还发现在串列情况下存在和双圆柱类似的临界间距,阻力和升力在临界间距附近有明显的突变.同时将本实验的结果和一些文献中的结果进行了比较.     

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.     

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.      

斑海豹胡须涡激振动及其尾流循迹机理直接数值模拟

在视力和听力受到限制的条件下,斑海豹可以通过具有特殊外形的胡须识别和追踪水中游鱼的尾迹.从仿生学的角度,对斑海豹胡须在尾迹流场中的振动特性和循迹机理进行研究,有助于开发研制新型水下探测器.本文采用嵌入式迭代浸入边界法,在雷诺数Re=300和折合流速Ur=6.0的条件下,对均匀流场和尾迹流场中斑海豹胡须模型的涡激振动进行...     

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.      

圆角化对方柱气动性能影响的流场机理

方形截面柱体的圆角化处理是常用的流动控制方法,但其流场作用机理尚未被澄清.采用大涡模拟方法,在雷诺数为2.2$\times$10$^{4}$时,考虑风攻角的影响,对均匀流作用下的标准方柱和圆角方柱的气动性能和流场特性进行了研究,定量分析了圆角化气动措施和风攻角变化对分离泡特性的影响规律,从流场角度澄清了圆角化气动措施对方柱气动性能的影响机理.研究表明:与标准方柱相比,圆角方柱的表面风压、气动力和涡脱强度呈整体下降的趋势,但圆角方柱的斯特劳哈尔数更高;圆角方柱的"分离泡流态'发生在更小的风攻角范围内,分离泡的出现会进一步造成方柱的尾流变窄,涡脱强度减弱;随着风攻角的增大,分离泡的长度会逐渐减小直至消失,分离泡的中心会逐渐向方柱前角(迎风向)和方柱壁面移动;与标准方柱相比,圆角方柱的气流发生初次分离的位置向下游移动,分离后的剪切层更贴近方柱,因而更易发生再附现象;方柱尾流宽度的减小和涡脱强度的减弱是导致圆角方柱气动力减小和斯特劳哈尔数增大的主要原因.      

Vortex-induced vibration of two elastically coupled cylinders in side-by-side arrangement

Vortex-induced vibration (VIV) of two elastically coupled circular cylinders in side-by-side arrangement is investigated numerically. The Reynolds-averaged Navier–Stokes equations are solved by the finite element method for simulating the flow and the equation of motion is solved for calculating the vibration. The mass ratio (the ratio of the mass of the cylinder to the displaced fluid mass) is 2 and the Reynolds number is 5000 in the simulations. Simulations are carried out for one symmetric configuration (referred to be Case A) and one asymmetric configuration (referred to be Case B). In both Case A and Case B, the primary response frequencies of the two cylinders are found to be the same both inside and outside the lock-in regimes. Five response regimes are found in both cases and they are the first-mode lock-in regime, the second-mode lock-in regime, the sum-frequency lock-in regime and two transition regimes. When the vibration is transiting from the first- to the second-mode lock-in regimes, the vibration of each cylinder contains both first- and the second-mode natural frequencies, and the vibrations are usually irregular. In the transition regime between the second-mode lock-in and the sum-frequency lock-in regimes, the response frequencies of both cylinders increases with an increase in the reduced velocity until they are close to the sum of the two natural frequencies. In both cases, the lower boundary reduced velocity of the total lock-in regime (the sum of the five lock-in regimes) is about 3 and the upper boundary reduced velocity is about 11 times the first-to-second-mode natural frequency ratio.     

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.      

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。