圓柱體結(jié)構(gòu)渦激振動問題的CFD模擬研究.pdf

1、當(dāng)流體流經(jīng)柱形結(jié)構(gòu)物時(shí)，流體對結(jié)構(gòu)的作用力促使柱體產(chǎn)生振動，柱體的振動又反過來改變流體的流動，這種現(xiàn)象被稱為渦激振動。在渦激振動中，除柱體的振動外，還包含著流體流動分離、漩渦脫落等一系列復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象。影響參數(shù)眾多，既需要考慮流體的流速、壓力、粘性等參數(shù)，又需要考慮柱體的質(zhì)量、阻尼和剛度。柱形結(jié)構(gòu)的渦激振動問題是工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到的一類問題，柱體強(qiáng)烈的振動甚至?xí)?dǎo)致其破壞，因此，它具有重要的科研價(jià)值和實(shí)際意義。本文以此圓柱渦激振動切

2、入點(diǎn)，通過建立數(shù)值模型，研究單柱體、多柱體在流體作用下的渦激振動響應(yīng)和水動力特性，同時(shí)對其受力、流場、渦量情況進(jìn)行分析。
　　本文的數(shù)值模型在笛卡爾網(wǎng)格系統(tǒng)下建立，以連續(xù)性方程和Navier-Stocks方程為流體的控制方程，使用基于CIP算法的CIP-ZJU(Constrained Interpolation Profile method in Zhejiang University)模型對控制方程進(jìn)行離散，具有計(jì)算速度快、精度

3、高的特點(diǎn)?；诙嘞嗔骼碚搶α黧w和固體實(shí)現(xiàn)同步求解，使用入侵邊界法確定固-液交界面。
　　首先，對雷諾數(shù)Re=100、質(zhì)量比M*=10條件下單圓柱的渦激振動進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)吻合良好。文中重點(diǎn)分析了圓柱的振幅、振動頻率和受力情況。結(jié)果表明，在折合速度Ur=4-8時(shí)，圓柱進(jìn)入“鎖定區(qū)間”，出現(xiàn)了較大的振幅，最大振幅出現(xiàn)在Ur=5處，達(dá)到了0.6D，脫離鎖定區(qū)間后，振幅則保持在較低的水平。在折合速度較大時(shí)，還觀察到了升力和位移

4、之間的相位突變。
　　隨后，對串列排布的雙圓柱系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。多圓柱情況下，流場較單圓柱情況更為復(fù)雜，柱體的振動時(shí)程曲線也呈現(xiàn)不規(guī)則的趨勢。文中詳細(xì)分析不同間距比和不同折合速度下的振動響應(yīng)，并考慮上游圓柱固定和上游圓柱自由振動兩種情況下下游圓柱的渦激振動響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，串列情況下下游圓柱的最大振幅要明顯大于單柱的情況。
　　最后，本文考慮了剛性連接的三圓柱系統(tǒng)的渦激振動問題。剛性連接的柱體具有相同的振動位移和速度，柱體間保

5、持固定的相對位置。三圓柱的排布方式呈正三角形，研究間距比和攻角變化對渦激振動響應(yīng)的影響。研究表明，攻角變化對三圓柱系統(tǒng)的振動具有一定影響，三圓柱的振動響應(yīng)、渦脫狀態(tài)和流體流動狀態(tài)都因攻角不同而產(chǎn)生變化。
　　本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)將CIP方法應(yīng)用于渦激振動問題的研究，與現(xiàn)有文獻(xiàn)對比溫和良好，為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。
　　(2)系統(tǒng)分析了L/D=2，4，6，8四種間距比下串列雙圓柱渦激振動的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)、受力和流