单窄条控制件对横向振荡柱体尾流 2P模式 旋涡脱落的改变

横向强迫振荡柱体尾流控制是柱体涡激振动控制的基础,在海洋、土木等工程中具有重要意义. 横向强迫振荡柱体尾流中存在一种锁频旋涡脱落模式,即在一个振荡周期内柱体上、下侧各脱落旋转方向相反的一对涡,称为2P模式. 本文将相对宽度b/D=0.32的窄条控制件置于横向强迫振荡柱体下游,对振幅比A/D=1.25, 无量纲振频f_e D/V_∞=0.22,雷诺数Re=1 200的2P模式旋涡脱落进行干扰,并通过改变控制件位置,研究旋涡的变化规律. 采用二维大涡模拟和实验验证方法进行研究,在控制件位置范围0.8≤X/D≤3.2, 0.4≤Y/D≤3.2内,得到了2P, 2S, P+S和另外6种新发现的旋涡脱落模式,并对各模式旋涡的形成过程作了详细描述. 在控制件位置平面上给出了各旋涡模式的存在区域,画出了旋涡脱落强度的等值线图,并发现在一个相当大的区域内,旋涡脱落强 度可减小一半以上,尾流变窄. 发现柱体大幅振荡引起的横向剪切流在旋涡生成中起关键作用. 探讨了控制件对横向剪切流的影响,分析了控制件在每种旋涡模式形成中的作用机制.      

风嘴对旋转振荡板旋涡脱落的控制

5∶1矩形柱体被认为是通用桥面几何形状的代表,其简化模型可以用来进行风振控制的研究。风嘴作为一种常用的流动控制装置,能起到减阻和增加矩形板气动稳定性的效果,但控制装置对强迫振荡柱体的控制机理仍缺乏研究。研究者通过对节段模型施加强迫振动,在实验模型前部施加边缘型对称型风嘴,研究控制装置对矩形板尾流旋涡脱落的影响。通过流动显示结果,总结了施加风嘴后的四种旋涡脱落模式。并通过快速傅里叶变化频域分析法,得到实验模型后缘X/D=10处的速度功率谱。施加风嘴控制能增大旋涡脱落频率,并抑制尾流旋涡脱落的能量。而数值模拟得到的不同实验工况下的升力均方根和力矩均方根显著减小,最大降幅分别为52%和23%,表明矩形板气动稳定性的提升和尾流不稳定性的减弱。     

较高Re数圆柱尾流的控制

引入一个窄条作为控制件,在Re=3.0×10 3~2.0×10 4范围内对圆柱尾流进行控制实验。窄条长度与柱体长度相同,厚 度为柱体直径的 0.015~0.025倍,宽度为柱体直径的0.18倍. 窄条的两个长边 与柱中心轴平行, 而且三者共面. 控制参数为窄条位置, 可由间距(窄条到柱轴)比λ/(0.5D)和风向角β (窄 条面与来流的夹角)确定. 采用流动显示和热线测量方法,对控制和未控制尾流的流动状态, 平均速度分布和脉动速度情况,以及作用于柱体和控制件的总阻力进行了研究和比较. 研究结果证明, 当窄条位于柱体尾流中一定区域内时, 可有效抑制柱体两侧的旋涡脱落.有效控制后的尾流湍流度也相应减小. 在不同Re数下,找出了有效抑制旋涡脱落的窄条位置区域, 并用动量积分估计了作用于柱体和窄条上的总阻力与光圆柱阻力的比值及其随风向角的变 化. 对λ/(0.5D)=2.9情况,得到了减阻的风向角区域(β=0°~40°与180°附近)以及最大减阻率32%.以上事实表明,在近尾流局部区域施加小的干扰,可改变较高Re数圆柱尾流的整体性质.     

薄矩形柱绕流旋涡脱落的抑制

用窄条形控制件对截面宽度为B、厚度为H的矩形柱体绕流的旋涡脱落进行抑制.实验在风洞中进行, 实验范围为B/H=2.0~5.0,Re=V_∞H/\nu=3.75× 103~1.05×104. 矩形柱的宽边B与来流平行, 窄条与柱体等长, 且两者轴线相互平行放置. 窄条宽度为b/H=0.5, 窄条厚度远小于其宽度; 窄条位置可变, 但窄条表面保持与来流垂直. 尾流脉动速度测量和流动显示结果表明: 当窄条位于一个有效区内时, 矩形柱体两侧的旋涡脱落被抑制; 而当窄条位于一个单侧有效区内时, 矩形体一侧的旋涡脱落被抑制, 在另一侧旋涡脱落却仍存在. 有效区范围从矩形体的上游某点一直延续到矩形体的下游某点. 单侧有效区将整个有效区围在其中. 有效区和单侧有效区范围随着B/H的增大而增大, 但随着Re的增大而减小.      

隔离板对流向振荡圆柱尾流旋涡脱落的抑制

用隔离板对直径为D, 沿流向振荡的圆柱后涡脱落进行抑制. 隔离板放于圆柱尾流中心线上,控制参数包括隔离板长度L/D以及隔离板前缘到柱体振荡中心的距离G/D. 实验的雷诺数范围Re=V_∞D/v=1.01×10⁴～1.69×10⁴,柱体折减振频范围f_eD/V_∞=0～0.03, 柱体振幅固定为A/D=0.2. 风洞烟线显示和热线测量结果表明:当 G/D位于一个有效区域内时,可有效抑制振荡柱体尾流的旋涡脱落. 该有效区的大小随着隔离板板长的增大而增大, 随着Re数和圆柱振荡频率的增大而减小.     

旋转振荡板尾流的控制研究

桥跨结构发生颤振时的旋涡尾流可由二维强迫旋转振荡板绕流模拟. 在弦厚比B/H = 5的振荡板两侧对称地放置两个宽度比均为b/H = 0.33的窄条, 对尾流的锁频旋涡脱落进行控制. 采用数值模拟和实验验证方法, 对旋涡场、尾流平均和脉动速度, 以及板所受扭转力矩和升力进行研究, 研究的振幅范围β = 0° ~ 10°, 振频范围f_eH/V_∞ = 0 ~ 0.0857, 雷诺数Re = V_∞H/V = 2800. 窄条位置分为板的前缘、中央和尾缘3种, 控制参数为窄条横向坐标y/H. 根据实验结果, 当窄条位置y/H在一定范围, 振幅β = 0° ~ 7.5°, 振频f_eH/V_∞ = 0 ~ 0.08时, 有控制和无控制尾流脉动速度功率谱主峰的比值远低于1, 最低可达0.3左右. 根据数值模拟结果, 当中央控制件位于y/H = ±1附近时, 在振幅β = 0° ~ 7.5°, 和一定频率范围内, 脉动扭转力矩均方根和升力均方根都有大幅下降, 最多可分别降低43%和80%. 引入第一和第二涡黏系数, 将尾流无规则脉动形成的湍流法向和切向应力, 分别与扰动速度幅值的法向和切向梯度相联系, 得到线性稳定性方程. 稳定性分析表明, 施加控制后, 最大扰动放大因子ω_{i max}大幅降低, 扰动增长的频率范围显著收窄. 窄条改变尾流速度剖面形状并增大湍流涡黏系数, 从而减弱尾流的不稳定性.      

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。     

钝体尾流控制机理及方法研究进展

首先从涡脱落生成理论出发对钝体尾流控制方法进行了分类,并简单介绍了国内尾流控制研究情况. 之后介绍了我们用窄条或小方柱取代小圆柱后,对Strykowsky和Sreenivasan 控制方法的改进及其在高雷诺数下对圆柱和方柱尾流涡脱落的有效抑制情况, 并探讨了控制件钝度对抑制效果的影响.第3部分用实验数据对各个涡脱落生成模型做了分析与检验, 指出控制件方法的机理与改变钝体分离位置、减小钝体背压吸力、改变流动的展向相关性、 防止钝体两侧剪切层相互作用等无关,而与钝体近尾流速度剖面的局部修正及其稳定性的改变有关. 最后简单介绍了控制件方法今后研究工作展望及其工程应用前景.     

横向振荡圆柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

基于格子Boltzmann方法(LBM)对不可压横向振荡圆柱绕流问题进行了数值研究. 与传统的求解宏观的N-S方程的数值方法不同, LBM求解此类问题不需要采用动网格, 而且不需要对网格进行特殊处理, 从而节约了计算成本. 结果显示, 当振荡频率增加到相应的静止圆柱绕流的自然涡脱落频率附近时, 圆柱后最新形成的集中涡距离柱体越来越近, 直到达到一个极限位置. 随后, 集中涡突然转向圆柱体另一侧脱落. 当振荡频率接近于静止圆柱的自然涡脱落频率时, 发生频率同步的现象. 随着振荡频率远离自然涡脱落频率, 同步现象消失. 在几种次谐振荡和超谐振荡下, 尾流区的涡脱落频率仍为相应的静止圆柱绕流的自然涡脱落频率.      

流向振荡柱体尾流控制研究进展

正详细介绍了近几年采用尾部喷射、隔离板和小窄条控制件等3种方法对流向振荡柱体绕流旋涡脱落的抑制情况.在研究范围内存在非锁频和3种锁频旋涡脱落模式.风洞实验表明,尾部喷射对这4种模式都有抑制效果,窄条控制件对非锁频和2种锁频模式具有抑制效果,而隔离板仅对非锁频和1种锁频模式有效.在不同流动和振荡条件下找出了每种方法的有效控制区,研究了减阻和减少脉动力的效     

流向振荡柱体尾流控制研究进展

详细介绍了近几年采用尾部喷射、隔离板和小窄条控制件等3 种方法对流向振荡柱体绕流旋涡脱落的抑制情况. 在研究范围内存在非锁频和3种锁频旋涡脱落模式. 风洞实验表明, 尾部喷射对这4 种模式都有抑制效果,窄条控制件对非锁频和2种锁频模式具有抑制效果, 而隔离板仅对非锁频和1 种锁频模式有效. 在不同流动和振荡条件下找出了每种方法的有效控制区, 研究了减阻和减少脉动力的效果, 并探讨了控制机理.      

流向强迫振荡圆柱绕流的涡脱落模态分析

通过求解采用ALE方法描述的运动坐标系Navier-Stokes方程组,分析均匀来流下雷诺 数为150的静止和流向振荡的圆柱绕流. 主要研究了强迫振荡频率和较大振幅比 (A/D=0.3-1.2)对圆柱升力、阻力变化特性以及涡脱落模态的影响. 研究表 明,流向振荡圆柱绕流存在多种涡脱落模态,如对称S以及反对称A-I, A-III, A-IV等多种形式;比较研究结果,拓展了各模态下对应的锁定区域,并将其分为5个 子区;A-I模态中圆柱受力较以前所知更复杂;通过分析计算结果,发现最大加速度 比Af_{c}^{2}/Df_{s0}^{2}可能是涡脱落模态(尤其是对称S模态)最有效的控制参数.     

圆角化对受迫振动方柱绕流特性影响机理分析

为分析圆角化对低雷诺数下受迫振动方柱绕流特性的影响机理, 对Ansys Fluent软件进行二次开发, 即通过用户自定义函数中的DEFINE_ CG_MOTION宏对柱体周期性受迫振动的函数进行编程, 并对流场计算域进行区域划分以便利用动网格技术中动态层法实现柱体受迫振动, 从而实现对受迫振动柱体绕流流场的流固耦合模拟.在雷诺数Re = 200时, 考虑方柱截面不同圆角的影响, 对均匀流作用下5种圆角化r/D = 1/2, 1/4, 1/5, 1/8和0受迫振动方柱的绕流进行数值模拟, 分析了这5种参数下受迫振动方柱的升阻力系数、尾流涡量和锁定区间的变化规律, 澄清了圆角化对受迫振动方柱稳定性的影响机理.研究表明: 与尖角方柱相比, 圆角化方柱升阻力系数有了明显的减小, 且升力、阻力系数随圆角增大而减小; 低振幅比下圆角方柱的涡旋脱落模式均为2S模态, 涡旋尾迹变窄; 锁定区间范围基本关于F = 1对称, 锁定区间的变化趋势与圆柱类似.      

大雷诺数线性剪切流绕圆柱的分离流动

本文采用离散涡方法计算了大雷诺数下线性剪切流绕圆柱的分离流动,计算结果给出阻力系数、横向力系数、边界层分离点、斯特罗哈数及尾流中旋涡的分布图案,计算数据与已有的实验数据相吻合。     

大雷诺数线性剪切流绕圆柱的分离流动

本文采用离散涡方法计算了大雷诺数下线性剪切流绕圆柱的分离流动,计算结果给出阻力系数、横向力系数、边界层分离点、斯特罗哈数及尾流中旋涡的分布图案,计算数据与已有的实验数据相吻合。     

Y型柱体绕流特性及风荷载

通过风洞实验研究了二种典型尺寸的二维Y型柱体在不同风向角下的绕流特性及风荷载。实验结果表明:当风向顺Y型柱体某一肢时主要是来流脉动引起柱体较弱横向振动;当风向顺Y型柱体两肢分角线时则由涡脱落而引起柱体强烈的横向振动。来流湍流度的增加使脉动升力和阻力都大幅度增加,然而却使涡脱落引起的振动相对减弱。     

质量比对D形截面柱体流致振动的影响

利用涡激振动进行海流能收集的VIVACE装置是新能源领域的研究热点.应用FLUENT软件采用k-ωSST湍流模型和Newmark-β法,通过数值模拟探究了四个质量比(2, 5, 7和10)在迎流角90°下D形截面柱体的流致振动响应,系统分析了D形截面柱体在横流向上的振动幅值、频率、平衡位置偏移量、尾涡脱落模式以及能量转化效率.所模拟的雷诺数范围为288～2880,对应的约化速度为2～20.结果表明,质量比对D形截面柱体流致振动的影响明显,质量比会改变D形截面柱体流致振动的响应分支.质量比越大, D形截面柱体进入驰振对应的约化速度越低;质量比增大, D形截面柱体平衡位置偏移量相对减小.随着约化速度的增大, D形截面柱体出现了涡激振动、涡激振动-驰振及完全驰振等响应分支.在所模拟的范围内, D形截面柱体高能量转化效率出现在涡激振动分支,而不是在驰振分支;在质量比为10且约化速度为4.5时,一级能量转化效率达到最大值44%.相关研究可为VIVACE装置的振子选型提供参考.     

有限长正方形棱柱绕流的双稳态现象

运用大涡模拟(large eddy simulation, LES) 方法对有限长正方形棱柱绕流进行了研究. 棱柱高宽比为5,一端固定于平板上,另一端为自由端. 平板表面边界层厚度可忽略不计. 基于自由流速度和棱柱宽度的雷诺数为3 900. 由计算结果发现,有限长棱柱的尾流在自由端后下扫流的作用下具有显著的三维性. 尾流中会交替出现两种典型的流动状态:一种是柱体两侧所脱落的涡在尾流中形成类似卡门涡街的交错排列状态;另一种是柱体尾流中涡团对称分布且无明显的周期性. 两种典型流动状态的交替出现,对有限长棱柱气动力特性有直接的影响.     

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.     

中等雷诺数圆柱尾流旋涡脱落的控制

介绍通过实验对圆柱尾流旋涡脱落进行抑制的方法及其结果.实验模型的展径比为38,实验的雷诺数范围为3×102～1.6×103.抑制方法是在圆柱（直径为D）表面沿展向每隔一定间距伸出一直径0.18D、长度为1.5D的小棒.实验结果表明,当棒间距小于3D,棒与来流夹角在30°～90°范围内,可有效抑制旋涡脱落.