串列双圆柱绕流问题的数值模拟

本文运用有限体积方法,对绕串列放置的双圆柱的二维不可压缩流动进行了数值计算。为研究两圆柱不同间距对圆柱相互作用和尾流特征的影响,选取间距比Ｌ／Ｄ（Ｌ为两圆柱中心间的距离,Ｄ为圆柱直径）在１．５～５．０之间每隔０．５共八个有代表性的间距进行了计算模拟。计算均在Ｒｅ＝２００条件下进行。计算结果表明：对该绕流问题,流动特征在很大程度上取决于间距的大小。且间距存在一临界值,间距比从小于临界值变化到大于临界     

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.      

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.      

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.      

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...     

虚拟边界法研究正交双圆柱及串列双圆球绕流

把Goldstein等人提出的虚拟边界法推广到三维情况,研究了 Re=150时不同间距下正交双圆柱绕流,和Re=250时不同间距下串列双 圆球绕流流场. 对于正交双圆柱绕流,当间距比大于3,下游圆柱对上游圆柱尾流的影响只 限定在下游圆柱的尾流所扫过的范围之内;当间距比小于等于3,下游圆柱对上游圆柱尾流 的影响扩大,下游圆柱尾流扫过区上下出现两排三维流向二次涡结构. 对于串列圆球绕流, 研究发现,在小间距比(L/D≈ 1.5)的情况下,由于上下游圆球尾流区的相互抑 制消除了压力不稳定性,整个流场呈现稳 态轴对称特征;间距比为2.0时,周向压力梯度诱发出流体的周向输运,流场呈现稳态非对 称性,但流场中存在特定的对称面;间距比增大到2.5后,绕流场开始周期振荡,原有的对 称面依旧存在;在间距比3.5时下游圆球下表面的涡结构强度有所减弱,导致占优频率发生 交替;间距比增至7.0时,整个流场恢复稳态特征,两圆球尾部同时出现双线涡,这时流场 对称面的位置发生了变动.     

基于SST-SAS方法与FW-H方程的串列双圆柱数值模拟研究

在飞机起降过程中,起落架噪声作为主要的机体噪声,越来越受到广泛的关注。串列双圆柱绕流是飞机起落架的简化模型,能够体现起落架复杂流动现象以及气动噪声的主要特征。本文采用基于SST湍流模型的自适应尺度模拟方法(SST-SAS),结合FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的数值计算方法研究了来流雷诺数为1.66×105且两圆柱圆心之间的距离与圆柱直径之比为3.7的串列双圆柱绕流的流动特征和声场特性。将结果与已有文献中的数据作了详细地比较,二者吻合很好,平均误差在5%以内。验证了本文气动声学数值计算方法对高雷诺数下大分离流动模拟的可靠性和有效性。     

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。     

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。     

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.     

THE FLUID AND MECHANICAL COUPLING BETWEEN TWO CIRCULAR CYLINDERS IN TANDEM ARRANGEMENT

The effect of the fluid and mechanical coupling between two flexible circular cylinders on their vortex-induced oscillations is examined in a wind tunnel. The cylinders are in a tandem arrangement and a mechanical coupling allows vibrations in phase and out of phase. The separation between the cylinders ranges between 7 and 25 diameters. When the cylinders are coupled only by fluid, the upstream cylinder behaves as an isolated one, while the downstream cylinder response depends on the separation and presents a hysteresis and three discontinuities. The hysteresis and its discontinuities agree with those of the upstream cylinder and the third discontinuity coincides with the end of synchronization of the windward cylinder. The addition of the mechanical coupling complicates the dynamic response which is greatly influenced by the separation and the coupling mode involved. The results are interpreted according to those dealing with the fluid coupling only. The effect of small-scale grid turbulence is also examined.     

错列角度对双圆柱涡激振动影响的数值模拟研究

为研究错列角度\alpha对双圆柱涡激振动问题的影响,采用自主研发的基于CIP (constrained interpolation profile)方法的数值模型,对雷诺数\mathit{Re}=100、错列角度\alpha =0^{°}\mathrm{~}90^{°} (间隔15 #x00B0;)的等直径双圆柱涡激振动问题进行数值模拟. 模型在笛卡尔网格系统下建立,采用具有三阶精度的 CIP 方法求解 N-S (Navier--Stokes)方程,采用浸入边界法处理流--固耦合问题,避免了任意拉欧方法下的网格畸变和重叠动网格技术中的大量信息交换问题,保证了模型的计算效率. 重点分析不同错列角度\alpha上下游圆柱的升阻力系数、位移响应、涡脱频率和尾涡模态等. 结果表明:折合速度U_r=2.0\mathrm{~}3.0时,上下游圆柱升阻力随错列角度的增大基本呈单调增大的趋势;U_{\mathrm{r}}=5.0\mathrm{~}8.0时,随错列角度的增大,上下游圆柱阻力变化较小,升力呈“上凸”趋势,在\alpha =15^{°}\mathrm{~}30^{°}取得最大值;U_r=10.0\mathrm{~}13.0时,随错列角度的增大,上下游圆柱阻力变化较小,升力呈“下凹”趋势,在\alpha =30^{°}\mathrm{~}45^{°}取得最小值,且柱体横流向振幅和升力没有明显的对应关系. 最后,结合尾涡模态对以上规律的成因进行分析. 研究结果可为相关海洋工程设计提供参考.      

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.      

小波浪高雷诺数时串列圆柱的波动压力

在２４０×１０５≤Ｒｅ≤５４０×１０５，２９４≤Ｋｃ×７８５，２５４×Ｌ／Ｄ×５０２的范围内实验研究了串列圆柱在规则波中迎浪前进时的波动压力、波动升力与波动阻力．实验模型由ＰＶＣ管加工制成，表面光滑．实验结果表明：在波流中，当Ｋｃ数较小而Ｒｅ数较高时，绕串列圆柱的流动与均匀流中的绕流有相似之处；随着Ｋｃ数和Ｒｅ数的增加，串列圆柱的柱间干扰效应会发生改变     

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。     

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.