圆柱涡致振动的高精度数值计算

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本文采用任意拉格朗日—欧拉(ALE)方法和区域分块法(DDM)数值求解了均匀来流下圆柱的涡致振动问题。ALE方法用于求解移动边界问题,而DDM方法适合于复杂流场的求解。流体运动通过原始变量Navier-Stokes方程描述,压力采用Poisson方程形式,而柱体运动简化为弹簧—质量—阻尼系统。计算网格采用H-O型非交错网格系统,易于采用严格的入流和出流边界条件。通过在每一时间步分别求解N-S方程、Poisson方程和柱体运动方程,数值模拟流体和柱体之间的非线性耦合运动。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,柱体运动采用经典龙格—库塔方法求解。 通过大量数据的计算,成功地捕捉到了“锁定”、“拍”和相位开关等现象,详细分析了小雷诺数条件下圆柱尾涡形态、升阻力系数以及圆柱位移等在不同的频率比、质量比、阻尼系数等条件下的变化规律。对单自由度和两自由度模型计算结果的比较分析证明,尽管横向振动起主导作用,单流向振动对涡致振动有一定的影响。另外,本文也对三维圆球绕流问题进行了数值模拟,为三维涡致振动的研究做了铺垫。
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