圓柱流致振動(dòng)數(shù)值模擬及其機(jī)理研宄.pdf

1、圓柱體的流致振動(dòng)問題廣泛存在于機(jī)械工程、海洋工程等諸多領(lǐng)域，然而圓柱(群)流致振動(dòng)問題及其復(fù)雜，雖然經(jīng)過數(shù)十年的研究，學(xué)術(shù)界對(duì)此問題仍未達(dá)到深刻。開展圓柱(群)流致振動(dòng)的研究，深入理解圓柱間的相互作用，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)圓柱(群)響應(yīng)特性，不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，對(duì)于提高VIVACE海流能利用裝置的能量轉(zhuǎn)化系數(shù)也具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文對(duì)圓柱(群)流致振動(dòng)開展了數(shù)值模擬研究，旨在深入理解圓柱(群)流致振動(dòng)的機(jī)理。本文追蹤了國內(nèi)外有

2、關(guān)圓柱流致振動(dòng)的研究動(dòng)向，對(duì)一系列熱點(diǎn)問題開展了全面、深入的研究。內(nèi)容包括單圓柱渦激振動(dòng)、串列和并列雙圓柱流致振動(dòng)以及正方形排列四圓柱流致振動(dòng)。論文系統(tǒng)總結(jié)了圓柱(群)流致振動(dòng)的響應(yīng)和尾流特性變化規(guī)律，研究與討論了間距比對(duì)圓柱(群)流致振動(dòng)的影響以及相鄰圓柱間的耦合機(jī)制，深度剖析了圓柱(群)流致振動(dòng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象，及其背后的物理本質(zhì)和機(jī)理。通過研究本文得到了如下有價(jià)值的結(jié)論：
　　1、單圓柱渦激振動(dòng)中，流向振動(dòng)對(duì)橫向振動(dòng)的影響主要

3、存在于鎖定區(qū)間。當(dāng)折合流速Ur≧8.0時(shí)，圓柱渦激振動(dòng)的阻力均值小于圓柱繞流的阻力均值，這是由于渦激振動(dòng)時(shí)脫落旋渦離圓柱底部更遠(yuǎn)，以及升力和位移之間相位差發(fā)生180°跳躍兩方面原因造成的。
　　2、間距比為s/D=2.5并列雙圓柱流致振動(dòng)中首次發(fā)現(xiàn)了兩圓柱振動(dòng)不對(duì)稱和新遲滯現(xiàn)象。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)阻流比B≧0.08時(shí)，不對(duì)稱區(qū)間和新遲滯現(xiàn)象均消失。
　　3、并列雙圓柱流致振動(dòng)( s/D=2.5和s/D=5.0)中出現(xiàn)了8種

4、不同的尾流模式，分別為不規(guī)律模式、同相同步、反相同步、偏斜反相同步、同相FF、長周期同相FF、異相FF和混合模式。
　　4、間距比為s/D=1.5串列雙圓柱間的耦合機(jī)制明顯不同于間距比s/D=3.0和s/D=5.0時(shí)的情況。當(dāng)間距比s/D=3.0以后，上游圓柱的響應(yīng)開始與單圓柱渦激振動(dòng)相似，但在其下端分支和非同步區(qū)域之間的過渡區(qū)間并未出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，說明了下游圓柱對(duì)上游圓柱的影響要比傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為的顯著。與間距比s/D=1.5和s/D

5、=5.0時(shí)兩圓柱的響應(yīng)出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象不同，間距比s/D=3.0的流致振動(dòng)中并未出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。
　　5、正方形排列(s/D=5.0)四圓柱流致振動(dòng)中，上游兩圓柱的最大振幅相同，均為Ymax/d=0.65，與單圓柱渦激振動(dòng)振幅接近。下游兩圓柱的最大振幅不同，分別為Ymax/d=1.01和 max=Ymax/d=0.997，分別比單圓柱渦激振動(dòng)振幅增大了77.2％和74.8%。
　　6、正方形排列(s/D=5.0)四圓柱流致振動(dòng)中各

6、圓柱響應(yīng)均出現(xiàn)了三個(gè)不對(duì)稱區(qū)間，分別為第一不對(duì)稱區(qū)間( U r=4.7∽6.07)、第二不對(duì)稱區(qū)間( U r=6.9∽7.2)和第三不對(duì)稱區(qū)間( U r=10.5∽50.0)。進(jìn)入不對(duì)稱區(qū)間以后，尾流呈現(xiàn)出類似于并列雙圓柱流致振動(dòng)中出現(xiàn)的寬、窄尾流現(xiàn)象。隨著折合流速的增加，兩圓柱振幅差距減小，尾流寬度差距也縮小。
　　總之，本文從單圓柱渦激振動(dòng)入手，研究了單圓柱渦激振動(dòng)的基本規(guī)律；并進(jìn)一步模擬了串列和并列雙圓柱流致振動(dòng)，分析了關(guān)鍵