弹性支撑刚性圆柱群的流激振动数值模拟

来源 :天津大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wuyonghong1974
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流激振动(Flow-induced vibration,FIV)的问题涉及海洋工程、航天工程、机械工程等诸多邻域。现阶段,关于单圆柱涡激振动(Vortex-induced vibration,VIV)的研究已经十分深入。相较而言,多圆柱系统在实际工程中的应用更为广泛,其流激振动响应机制仍存在诸多未知。不同圆柱的尾流场相互干扰,很有可能引起更复杂的尾涡模式,进一步激发结构的振动响应,造成更大的安全隐患。面对如此复杂的流场环境,最大的挑战之一就是明晰流激振动物理机制,而科学准确地分析柱间的流场形态及其作用模式,又是揭示圆柱群流激振动物理机制的重要途径。本文数值研究了弹性支撑刚性圆柱群的两自由度流激振动问题。研究中的雷诺数范围为Re=1470~10320,属于亚临界流场区域。圆柱的质量比m*=2.6,质量阻尼系数(m~~*+Ca)ζ=0.013。运用基于重叠网格技术的动态网格方法,选择雷诺平均的纳维尔-斯托克斯方程(RANS)与SST k-ω湍流模型,对圆柱群的FIV问题开展二维数值模拟。依次开展了串列、并列和交错双圆柱FIV研究,分析了不同基本排列方式下各圆柱的响应幅值、水动力特性以及尾流模式。深入探讨了间距比或入射角度对双圆柱流激振动响应和尾流模式的影响,剖析双圆柱系统中出现的新FIV现象,及其物理机制。数值模拟的研究结果表明:(1)串列排布:考虑了Sx/D=3.0、4.0、5.0、8.0四种不同的间距比工况(Sx为两圆柱圆心的顺流向间距,D为圆柱直径)。除了最小的间距比Sx/D=3.0工况,上游圆柱横流向、顺流向响应幅值随Vr的变化规律与单圆柱的结果近似,反映此间距比工况下的下游圆柱对上游圆柱流激振动影响有限。Sx/D=3.0时,相比单圆柱工况,上游圆柱的最大响应振幅略有减小,且对应的约化速度更低。串列下游圆柱的FIV响应和水动力系数受到上游圆柱遮蔽效应与漩涡冲击的共同影响,出现尾流激振(Wake-induced vibration,WIV)现象,最大的响应幅值在更高的Vr条件下出现。由于上游圆柱两自由度振动,其漩涡脱落模式更为丰富,“尾流刚度”随之经历较大的变化,使得下游圆柱响应振幅随Vr不断提升的现象消失。(2)并列排布:选取了Sy/D=4.0,6.0,8.0,10.0四种横向间距比工况。Sy/D=4.0、6.0和10.0时,两圆柱的响应特性相近,均未出现超上端分支。Sy/D=8.0,并列双圆柱的响应最接近于单圆柱工况,然而当Vr=8.0时,两圆柱的响应幅值存在差异。间距比增大至10.0后,两并列圆柱间仍存在较强相互干扰,但顺流向响应所受的低频成分影响将减弱。并列双圆柱FIV出现了4种新的尾流模式,随约化速度的增大,分别为非对称剪切层模式、非对称长周期转换模式、偏斜同相泻涡模式以及非对称脱涡模式,揭示了并列双圆柱之间产生非对称振动的原因。(3)交错排布:两圆柱的间距比固定为P/D=6.0。小入射角α=0°、30°时,上游圆柱响应振幅与单圆柱差异不明显,下游圆柱响应振幅特征随入射角的变化发生较大的变动。下游圆柱在高Vr下的响应振幅强于相应Vr区间内单圆柱幅值。同时,下游圆柱横流向、顺流向的主控频率相近,运动轨迹呈现椭圆形,出现类似“尾流颤振”的现象。大入射角α=60°、90°时,下游圆柱的响应特征更接近于并列双圆柱系统,而非单圆柱系统。并且上、下游圆柱间的水动力特性也随着入射角的增大而趋向一致。当α=30°时,尽管下游圆柱的运动范围基本处在上游圆柱的尾流边界外,但上游圆柱的漩涡仍会诱导该圆柱剪切层发展,促进漩涡脱落。下游圆柱“尾流颤振”的现象,可能是上游的来涡与下游圆柱漩涡发展的步调相互调和,发生稳定耦合所造成的。本文系统地分析了不同排列方式下,双圆柱系统流激振动响应以及尾流场的变化规律。揭示了流激振动现象背后的物理本质,弥补了亚临界雷诺数流场条件下,多圆柱系统流激振动尾流机理数值研究的不足,进一步完善了相应流体动力学理论体系。本文的研究工作具有重要的理论价值和工程意义。
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