横流作用下圆柱结构的流固耦合响应研究

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圆柱系统(管阵)在桥梁工程,海洋工程,船舶工程以及核工程中有着广泛的应用。圆柱系统的动力学与工程的安全运行息息相关,研究管道系统的流固耦合振动响应是极其必要的。本文使用计算流体力学(CFD)方法,对雷诺数为150下的二维圆柱系统进行研究。利用Fluent求解器求解流体动力学方程,并嵌套自定义函数(UDF)求解圆柱的控制微分方程,结合重叠网格技术实现双向流固耦合。分别建立了横流作用下单自由度、两自由度单圆柱系统以及两自由度串列双圆柱系统的数值模型,研究了折减速度的递增及递减、不同振动组合以及不同间距比时,圆柱系统的流固耦合振动响应。对单自由度、两自由度的单圆柱系统进行了流固耦合响应计算,结果表明:在横流作用下,单圆柱系统的振动机理为涡激振动。数值模拟捕捉到单圆柱流固耦合振动中的“拍”、“相位开关”以及“频率锁定”等现象。单圆柱系统的振动响应表现为初始分支、下端分支以及非同步区域。圆柱在很大的流速范围内发生频率锁定,锁定区域的振幅远大于其他区域。考虑圆柱流向振动后,圆柱的横向振动会产生更大的振幅。两自由度圆柱的运动轨迹为稳定的“8”字形。通过折减速度的不同变化,捕捉到了下端分支与非同步区域间的迟滞现象。对于单圆柱系统,在不同流速下其尾涡模态为2S模式。对两自由度的串列双圆柱系统进行了流固耦合响应计算,结果表明:当下游圆柱固定时,由于受到下游圆柱的影响,和单圆柱相比较,上游圆柱的频率锁定区域存在明显不同:其锁定区域的大小随着间距比的增加而减小。间距比较小时,上游圆柱出现驰振,最大振幅达到一倍直径大小。间距比较大时,上游圆柱振幅大小与单圆柱相似。当上游圆柱固定时,下游圆柱无频率锁定现象。间距比较小时,下游圆柱的振幅、频率以及尾涡模态会随着折减速度的增加发生突变。间距比较大时,下游圆柱在折减速度较大处出现第二个频率分支。当上、下游圆柱同时振动,间距比较大时,上游圆柱的振动基本不受下游圆柱的影响。下游圆柱的振动始终受到上游圆柱的影响,下游圆柱在不同间距比下的最大振幅大于上游圆柱。当上游圆柱的自由剪切层完全通过间隙并与下游圆柱的漩涡融合时,下游圆柱的振幅达到最大。
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