圆柱和方柱绕流及矩形柱涡激振动的二维数值分析

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在一定雷诺数条件下,粘性流体流经钝体截面形状的结构物时,在逆压梯度的作用下会使流体边界层发生分离,进而引发周期性的旋涡脱落。周期性的旋涡脱落又会引起周期性的气动力作用,如果结构是一个自振体系,那么就有可能引起很大的位移响应,造成结构物的破坏。绕流问题是认识涡激振动的前提,因此本文首先研究了不同雷诺数下的圆柱和方柱绕流问题,进而研究了不同长宽比的三种矩形截面柱体的涡激振动问题。雷诺数是决定钝体绕流状态的一个重要的无量纲参数,可以通过改变来流风速来改变雷诺数。对于单圆柱和方柱的绕流问题,本文首先建立起各自的二维流场模型,采用流体计算软件CFX数值模拟了雷诺数从层流区到超临界区的单柱绕流。在验证了数值模型对于圆柱和方柱绕流问题的适用性和精确性后,分别对圆柱和方柱绕流的升力系数、阻力系数、斯托罗哈数、表面压力分布以及尾流结构随雷诺数的变化规律做了系统的分析总结。涡激振动现象在工程实际问题中经常遇到,特别是对于桥塔、摩天大楼、海上石油钻井平台、烟囱等高耸的结构物,涡激振动能够造成极大的破坏。本文针对涡激振动现象,采用ANSYS+Workbench+流体计算软件CFX数值模拟矩形柱体的涡激振动问题。将二维柱体简化为质量弹簧阻尼系统,进行模态分析验证数值模型的准确性。保持矩形柱体结构参数不变,通过改变风速来捕捉锁定区间,分析对比矩形柱在锁定区间和非锁定区间内的横向位移响应。
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