19002.低雷諾數(shù)下串列多圓柱流致振動的數(shù)值模擬及其機理研究

1、低雷諾數(shù)下低雷諾數(shù)下串列多圓柱流致振動的數(shù)值模串列多圓柱流致振動的數(shù)值模擬及其機理研究擬及其機理研究NumericalinvestigationonflowinducedvibrationsofmultiplecircularcylindersintemarrangementatalowReynoldsnumber學科專業(yè)：水利工程研究生：楊立紅指導教師：及春寧副教授天津大學建筑工程學院二零一三年十一月中文中文摘要摘要海流和潮汐等潮流能

2、為人類提供大量的清潔可再生能源。在過去的數(shù)十年中，許多研究者致力于潮流能利用裝置的研究開發(fā)。全球范圍內(nèi)，海流流速普遍較低（1.5ms），傳統(tǒng)的利用葉片旋轉(zhuǎn)發(fā)電的潮流能利用裝置無法啟動。為了利用廣泛分布的低速海流，密歇根大學的M.M.Bernitsas和K.Raghavan研發(fā)了一種新型海流能利用裝置——VtexInducedVibrationAquaticCleanEnergy，簡稱VIVACE。VIVACE裝置采用一種全新的方法來收集

3、海流能，即：基于圓柱（群）在水流作用下所發(fā)生的流致振動來提取海流能，并通過增強圓柱（群）流致振動的振幅和速度以獲得更高的能量利用率。然而，目前對圓柱（群）流致振動的研究較少，尚未形成系統(tǒng)的理論體系，制約了VIVACE海流能利用技術的進一步發(fā)展。本文以VIVACE海流能利用為工程背景，針對串列三圓柱的流致振動開展研究，并結合已有的研究成果，對圓柱（群）流致振動的內(nèi)在機理給出更加合理、深入的解釋。本文所使用的程序為流固耦合并行計算程序CgL

4、es_IBM，該計算程序具有二階時間和空間精度，對流動的直接數(shù)值模擬和嵌入式迭代浸入邊界法進行了結合。本文主要研究內(nèi)容為低雷諾數(shù)（Re=100）條件下，串列三圓柱流致振動的數(shù)值模擬及其機理的研究。三個圓柱均只能沿橫流向自由振動，且均為剛性材料，質(zhì)量比為m=2。為使圓柱振動有更大振幅，將結構阻尼系數(shù)設為0。三個圓柱為等間距布置，并考慮4個不同的順流向圓柱間距比DL=2.0、3.0、4.0、5.0，折合流速的范圍取為rU=3~10。數(shù)值模擬

5、的結果主要包括三個圓柱所受的升力、阻力以及橫流向振動位移。對數(shù)值模擬的結果進行分析得到了圓柱無量綱脫渦頻率、鎖定區(qū)間、升阻力系數(shù)和橫流向位移隨間距比和折合流速的變化特性。本文還給出了圓柱升力與橫流向位移間的相位差和三個圓柱橫流向位移間的相位差，并指出升力與橫流向位移間的相位差在折合流速為rU=8~10時會發(fā)生180的跳躍，即相位開關。在串列三圓柱流致振動的尾流區(qū)發(fā)現(xiàn)了復雜的尾流模態(tài)，并分析了尾流模態(tài)對圓柱受力及位移響應的影響。關鍵關鍵詞