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.      

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。     

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.     

剪切增稠液阻尼器隔冲性能的实验研究

剪切增稠液在外载作用下粘度会迅速增大,基于剪切增稠液研制而成的阻尼器具有阻尼力大、响应快速、无能耗等优点,在阻尼耗能和冲击防护设备中具有重要的应用前景。本文使用振动台模拟半正弦脉冲信号,对集成剪切增稠液阻尼器的单自由度系统在不同冲击条件下的响应加速度和相对位移进行了研究,比较了冲击脉冲幅值和频率比对冲击隔离的影响,讨论了不同冲击条件下的系统阻尼比,得到了剪切增稠液阻尼器安装方式对其冲击隔离性能的影响。结果显示:冲击脉冲幅值对响应加速度幅值比影响不大;加速度幅值比随冲击脉冲频率比增大而迅速减小,相对位移幅值随频率比增大先减小再略微增大,然后继续减小;当剪切增稠液阻尼器横向安装时,其响应加速度幅值比更小,当安装夹角增大时,相对位移随之减小,系统阻尼比迅速增大。研究表明,剪切增稠液阻尼器能够提高单自由系统的冲击隔离性能。     

绒毛控制圆柱涡激振动的风洞试验研究

利用绒毛对圆柱涡激振动抑制进行了风洞试验研究。通过改变附属绒毛无因次长度L/D比(L为绒毛长度,D为圆柱外径),研究L/D分别为0.6、1.2和1.8的模型在约化速度2~40的范围内对弹性支撑大质量阻尼系数圆柱涡激振动的抑制作用。试验采用激光位移传感器采集圆柱的横向(Y)和顺流向(X)位移,并用烟线测流场以揭示流动控制机理。结果表明,三种无因次长度的绒毛对大质量阻尼系数圆柱的涡激振动都有显著的抑制作用,随着L/D的增加,圆柱Y向无因次位移及功率谱密度幅值减弱,多达73.5%的无因次位移被抑制;且随着L/D的增加,圆柱附属绒毛频率比远离原始圆柱频率比。绒毛改变了圆柱的边界层分离点位置、抑制了边界层的相互作用并改变尾涡结构,从而抑制振动。     

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.     

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.     

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.      

串列双锥柱绕流流动特性的大涡模拟研究

利用大涡模拟研究了雷诺数Re = 3900下串列双锥柱在间距比L/D_m = 2 ~ 10下的升阻力特性及三维流动结构. 研究发现: 上游锥柱在后方形成的两个展向不对称回流区, 使其后方压力分布不对称. 上游锥柱发展的上洗、下洗和侧面剪切层作用在下游锥柱的附着点位置不同是上游和下游锥柱时均阻力系数和脉动升力系数变化的主要原因, 串列双锥柱间流动结构随间距比变化可分为三种状态: 剪切层包裹状态, 过渡状态及尾流撞击状态. 剪切层包裹状态. 上游锥柱的自由端主导来流在下游锥柱迎风面影响范围广, 上游锥柱剪切层完全包裹住下游锥柱, 从而抑制下游锥柱后方回流区形成, 导致下游锥柱时均阻力系数降低; 尾流撞击状态; 上游锥柱尾流得到充分发展, 其回流区大小随间距比增大不再发生变化, 上游锥柱尾流出现周期性脱落, 撞击在下游锥柱表面, 从而使脉动升力系数大幅增加, 最大脉动升力系数较单直圆柱提升约20.7倍; 过渡状态, 此时时均阻力系数和脉动升力系数均会较剪切层包裹状态增加. 该研究可以为风力俘能结构群列阵布局提供理论支持.      

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。     

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。     

On characteristics of two-degree-of-freedom vortex induced vibration of two low-mass circular cylinders in proximity at low Reynolds number

Two-degree-of-freedom vortex induced vibrations (VIVs) of two identical spring-supported circular cylinders in proximity with the mass ratio of 2 and zero damping at Re of 100 are numerically studied. Totally 20 arrangements of cylinders are investigated combining four stagger angles and five normalized center-to-center spacings. Results show that the in-line vibration amplitude is comparable to the transverse one for most arrangements and usually accompanies irregular cylinder trajectories. Extremely slender figure-8 cylinder trajectories usually seen in single-cylinder VIVs exist only for the tandem arrangements. Arranging the trailing cylinder to vibrate near the wake boundary of the leading cylinder enhances the possibility of irregular trajectories and impacts of both cylinders. Impact between cylinders must occur in cases with irregular cylinder trajectories; however, irregular cylinder trajectories could be found in impact-free cases. The stagger angle significantly changes the attribute of the transverse vibration frequency, toward either the single-cylinder VIV frequency or natural structure frequency in still fluid. The major transverse vibration frequency and the natural structure frequency in still fluid are decoupled for all the side-by-side arrangements and some far spaced tandem arrangements and highly correlated for non-tandem and non-side-by-side arrangements. The time-averaged impact frequency increases with decreasing normalized center-to-center spacing for most combinations of stagger angle and reduced velocity. Apart from the side-by-side arrangements, high-frequency impacts occur when the trailing cylinder is initially located in or near the wake zone of the leading cylinder. The mechanism of trailing cylinder chopping the gap-flow vortices plays an important role in determining the near-wake vortex structures for all non-side-by-side arrangements.     

Flow regimes and frequency selection of a cylinder oscillating in an upstream cylinder wake

This paper describes flow around a pair of cylinders in tandem arrangement with a downstream cylinder being fixed or forced to oscillate transversely. A sinusoidal parietal velocity is applied to simulate cylinder oscillation. Time-dependent Navier-Stokes equations are solved using finite element method. It is shown that there exist two distinct flow regimes: ‘vortex suppression regime’ and ‘vortex formation regime’. Averaged vortex lengths between the two cylinders, pressure variations at back and front stagnant points as well as circumferential pressure profiles of the downstream cylinder are found completely different in the two regimes and, thus, can be used to identify the flow regimes. It is shown that frequency selection in the wake of the oscillating cylinder is a result of non-linear interaction among vortex wakes upstream and downstream of the second cylinder and its forced oscillation. Increasing cylinder spacing results in a stronger oscillatory incident flow upstream of the second cylinder and, thus, a smaller synchronization zone.