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.      

低雷诺数下弹性圆柱体涡激振动及影响参数分析

利用Fluent软件数值求解不可压缩粘性流体的N-S方程,研究均匀来流Re=200时弹性圆柱体的涡激振动.圆柱体运动简化为质量-弹簧-阻尼系统,将Newmark-β方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动方程,柱体与流体间的非线性耦合作用通过动网格技术实现.详细分析了涡激力系数、柱体位移特征值和尾流涡结构随频率比的变化关系,获得"相位开关"、"拍"等现象.考虑流向振动对横向振动影响时,圆柱体最大横向振幅为0.65倍直径.当固定频率比,而质量比或折合阻尼增大时,圆柱体流向与横向振动均呈非线性衰减趋势,但增大质量比对流向平均位移的偏离起到更好的控制效果.     

不同控制角下附加圆柱对圆柱涡激振动影响

在弹性支撑的圆柱周围布置直径更小圆柱会影响剪切层发展以及旋涡脱落,进而改变其涡激振动状态.通过不同的布置形式和附加小圆柱个数可以实现对圆柱涡激振动的促进或抑制.激励更大幅值的振动可以更好地将水流动能转化为可利用的机械能或电能,抑制其振动则可以实现对海洋平台等结构物的保护.采用基于迭代的嵌入式浸入边界法对前侧对称布置两个小圆柱的圆柱涡激振动进行数值模拟研究,系统仅做横向振动,其中基于主圆柱直径的雷诺数为100,质量比为2.0,折合流速为3～11.小圆柱与主圆柱的直径比为0.125,间隙比为0.125.结果表明,在研究的控制角范围内(30°～90°),附加小圆柱可以很大程度上改变圆柱涡激振动的状态.当控制角较小(30°)时,附加小圆柱对主圆柱的振动起抑制作用;当控制角为45°～60°时,圆柱的振动分为涡振和弛振两个阶段,在弛振阶段,圆柱振幅随折合流速增加而持续增加;当控制角较大(75°～90°)时,附加小圆柱的促进作用随着控制角增加而减小.进一步地,结合一个周期内不同时刻旋涡脱落以及圆周压强分布,解释了附加小圆柱对主圆柱涡激振动的作用机制.应用能量系数对圆柱系统的进一步分析发现,弛振阶段由流体传递到主圆柱的能量系数随折合流速的增加逐渐下降,旋涡结构的改变是产生这种变化的直接原因.     

不同控制角下附加圆柱对圆柱涡激振动影响

在弹性支撑的圆柱周围布置直径更小圆柱会影响剪切层发展以及旋涡脱落,进而改变其涡激振动状态.通过不同的布置形式和附加小圆柱个数可以实现对圆柱涡激振动的促进或抑制.激励更大幅值的振动可以更好地将水流动能转化为可利用的机械能或电能,抑制其振动则可以实现对海洋平台等结构物的保护.采用基于迭代的嵌入式浸入边界法对前侧对称布置两个小圆柱的圆柱涡激振动进行数值模拟研究,系统仅做横向振动,其中基于主圆柱直径的雷诺数为100,质量比为2.0,折合流速为3~11.小圆柱与主圆柱的直径比为0.125,间隙比为0.125.结果表明,在研究的控制角范围内(30°~90°),附加小圆柱可以很大程度上改变圆柱涡激振动的状态.当控制角较小(30°)时,附加小圆柱对主圆柱的振动起抑制作用;当控制角为45°~60°时,圆柱的振动分为涡振和弛振两个阶段,在弛振阶段,圆柱振幅随折合流速增加而持续增加;当控制角较大(75°~90°)时,附加小圆柱的促进作用随着控制角增加而减小.进一步地,结合一个周期内不同时刻旋涡脱落以及圆周压强分布,解释了附加小圆柱对主圆柱涡激振动的作用机制.应用能量系数对圆柱系统的进一步分析发现,弛振阶段由流体传递到主圆柱的能量系数随折合流速的增加逐渐下降,旋涡结构的改变是产生这种变化的直接原因.      

倾斜圆柱结构涡激振动研究进展

圆柱结构涡激振动现象在生活中十分常见,如海洋工程中的管道、土木工程中的高耸建筑、桥梁斜拉索,核工程中的热交换器等频繁受到涡激振动影响,诱发结构的疲劳损伤,甚至破坏失效.现阶段,人们对垂直来流作用下圆柱结构涡激振动机理已有较为全面的认识.然而,当圆柱倾斜置于流场中,结构后缘的尾流形态与垂直放置差异显著,结构与流体的耦合作用机理更为复杂.为简化倾斜圆柱涡激振动问题,提出了不相关原则,来流速度被分解为垂直圆柱结构轴向和平行圆柱结构轴向的两个速度分量,仅考虑垂直结构轴向速度分量的影响,忽略平行结构轴向速度分量的影响.近年来,针对倾斜圆柱涡激振动及不相关原则的适用性,出现了大量实验和数值模拟研究成果.为了深化对倾斜圆柱结构涡激振动相关机理的认知,本文全面阐述了倾斜圆柱结构涡激振动响应规律、尾迹流场模式和流体力特性等方面的研究进展,分析了不相关原则的适用范围,探讨了倾斜圆柱结构涡激振动抑制措施,并对今后该领域的研究进行了力所能及的展望.     

层流条件下并列三圆柱涡激振动响应与尾流形态

应用基于嵌入式压强-力迭代的高精度浸入边界法研究等间距并列三圆柱涡激振动。其中,雷诺数Re=100,间距比T/D=2.0～5.0,圆柱质量比m*=2.0,折合流速Ur=2.0～10.0,忽略振动系统的阻尼且三圆柱仅横向振动。研究发现,圆柱的振动响应随折合流速的增加呈现初始响应分支和下端响应分支两种模式;振幅响应出现不连续现象,且随着间距比的增加,该不连续现象对应的折合流速增加;尾流模式与间距比和折合流速密切相关。共发现六种尾流形态,分别为窄宽窄尾流、不规律尾流、反相同步尾流、调制尾流、同相同步尾流和偏斜尾流。总结并绘制了尾流形态在参数空间[Ur,T/D]内的分区图。     

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.     

柔性圆柱涡激振动流体力系数识别及其特性

涡激振动是诱发海洋立管、浮式平台系泊缆和海底悬跨管道等柔性圆柱结构疲劳损伤的重要因素.目前,海洋工程中用于柔性圆柱涡激振动预报的流体力系数主要来源刚性圆柱横流向受迫振动的实验数据,存在一定缺陷和误差.本文综合考虑横流向与顺流向振动耦合作用,建立了柔性圆柱涡激振动流体力模型,运用有限元法和最小二乘法确定升力系数、脉动阻力系数和附加质量系数.为了准确识别柔性圆柱涡激振动流体力系数,设计并开展了拖曳水池模型实验,实验用柔性圆柱模型的质量比为1.82,长径比为195.5.通过与刚性圆柱流体力系数对比,深入分析了柔性圆柱流体力系数的特性.结果表明:柔性圆柱在一阶模态控制区,流体力系数随约化速度变化趋势与刚性圆柱大致相似;二阶模态控制区,升力系数和脉动阻力系数显著增大;附加质量系数在响应频率较低时与振动位移的相关性增强;当响应频率较低时,振动位移较大区域为能量耗散区,当响应频率较高时,振动位移较大区域为能量输入区.     

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。     

相同雷诺数下串列双圆柱绕流的仿真分析

为研究均匀水流场中串列排布的柱群之间的干涉影响,本文以三维串列双圆柱为例,通过计算流体力学(CFD)软件FLUENT15.0中双方程k-ε模型,分析模拟了双圆柱所受平均阻力、平均升力、后柱周向压力、斯特劳哈尔数等水动力特性。结果表明:在雷诺数为Re=2×10~4的串列双圆柱绕流中,两圆柱中心间距L与圆柱直径D的比值为L/D=4时,后柱受前柱绕流尾流影响大,明显高于单圆柱绕流的平均阻力系数,后柱的周向压力值也随前柱尾流的摆动呈现显著的不对称性;当L/D=8时,前柱绕流尾流对后柱影响逐渐减弱;当L/D=12时,两圆柱之间的相互干扰几乎可以忽略,可以看作是相互独立的单圆柱绕流。最后,计算的斯特劳哈尔数与单圆柱绕流对应的斯特劳哈尔数相近且仿真数值在计算数值范围之内,验证了整个仿真分析的准确性,也进一步说明了双圆柱绕流的柱群的干涉影响。双圆柱间距越大,前、后柱之间的干涉影响越弱。     

高阻尼比低质量比圆柱涡激振动试验研究

针对圆柱的涡激振动问题,设计开发了高性能循环水槽与超声位移传感器,研究了高阻尼比、低质量比条件下,弹性支撑的刚性圆柱的涡激振动变化规律。结果表明:(1)高阻尼比条件下,振幅主要受独立参数阻尼比、质量比的影响;低质量比条件下,振动频率随流速增大而增大,"锁定区间"较高质量比范围扩大。(2)高阻尼比、低质量比条件下,阻尼的增大会导致振幅减小且"锁定区间"变窄;但振动频率在"锁定区间"内变化趋势一致。(3)高阻尼比、低质量比有利于涡激振动的能量转化,但阻尼不可过大,否则振幅与"锁定区间"均变小,影响电能转化。     

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α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Re=100、错列角度α=0?～90?(间隔15?)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α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Ur=2.0～3.0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;Ur=5.0～8.0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α=15?～30?取得最大值;Ur=10.0～13.0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α=30?～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.     

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.      

亚临界雷诺数下圆柱绕流的大涡模拟

本文应用Smagorinsky涡粘性模式和二阶精度的有限体积法对圆柱绕流的流场进行大涡模拟．求解了非正交曲线坐标系下的N-S方程,对雷诺数为100和20000的工况进行了计算．计算结果与实验及动力涡粘性模式的结果进行了比较,表明计算对于层流及高亚临界雷诺数的湍流流动是合理的     

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。      

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.     

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.