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研究双圆柱之间相互气动作用对于分析和控制建筑结构抗风有着非常重要的意义。用计算机数值模拟这种结构体绕流问题已成为一种发展趋势,它所具有的诸多优点已经使其成为空气动力学的一个重要的研究方向。本文利用CFD软件FLUENT对串列双圆柱的气动弹性问题进行了数值模拟计算,并对结果进行了详细的分析。
本文首先对涡致振动问题的基本概念、基本公式以及目前常用的数值模拟方法进行了介绍,并着重介绍了求解不可压缩流场的SIMPLE方法。为了证明FLUENT软件对涡致振动计算的可靠性,对经典的单圆柱涡致振动的情况下进行了计算,并将其结果包括振幅,涡脱落模式等与实验结果和其他作者的计算结果进行了比较,结果吻合得很好。
接下来研究了串列放置情形时下游圆柱横向涡致振动问题,计算的顺风向的间距比分别为L/D=2和L/D=4,计算的雷诺数为200,并对这两种情况的计算结果以及单圆柱的涡致振动的计算结果进行了对比。研究发现:(1)串列放置情形时下游圆柱涡致振动开始出现时对应的折减速度要比单圆柱的涡致振动开始时的折减速度大,主要原因是串列圆柱下的绕流与单圆柱的绕流有着完全不同的性质,这一点很多实验结果中都提到,而当下游圆柱位于上游圆柱的尾流区域中时,由于上游圆柱的涡脱落以及尾流速度的减弱对下游圆柱撞击,使得尾流中圆柱的涡致振动变得更为复杂。(2)两种间距比下都捕捉到了拍现象和锁定现象,L/D=2时的锁定范围和最大振幅比单圆柱的要小,而L/D=4的锁定范围和最大振幅都要比单圆柱的情况大。(3)横向位移曲线中,L/D=4的情况随结构固有频率的变化敏感性小,不具有明显的跳跃性,而L/D=2的情况随结构固有频率的变化敏感性要大,具有比单圆柱涡致振动时更强的跳跃性。(4)涡致振动的涡脱落模式:下游圆柱的涡脱落模式为2S模式。