附加粗糙帶圓柱流致振動(dòng)響應(yīng)特性及影響因素.pdf

1、當(dāng)鈍體處于一定流速的流體中時(shí)，旋渦脫落以及隨之產(chǎn)生的流致振動(dòng)（Flow-induced Motion, FIM）現(xiàn)象十分常見(jiàn)。流致振動(dòng)普遍存在于自然界和工程領(lǐng)域，一方面，它會(huì)對(duì)許多工程結(jié)構(gòu)物造成結(jié)構(gòu)性疲勞損害，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全性問(wèn)題；另一方面，流致振動(dòng)蘊(yùn)含著大量的能量，只要利用得當(dāng)，它也有對(duì)人們有利的一面。近年來(lái)，利用鈍體流致振動(dòng)引起的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的清潔能源收集技術(shù)在新能源領(lǐng)域中引起了廣泛研究興趣。為了提高流致振動(dòng)清潔能源收集系統(tǒng)的能量

2、收集效率，需要了解流致振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理和提高振動(dòng)強(qiáng)度的途徑。采用在圓柱表面選擇性增加粗糙帶的被動(dòng)控制措施能夠有效強(qiáng)化圓柱的流致振動(dòng)，促進(jìn)高強(qiáng)度的馳振的產(chǎn)生。目前，表面選擇性增加粗糙帶的被動(dòng)控制圓柱流致振動(dòng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性尚未有統(tǒng)一定論，被動(dòng)控制圓柱由渦致振動(dòng)（Vortex-induced Vibration， VIV）向馳振轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制尚未明確，而且來(lái)流攻角對(duì)被動(dòng)控制柱體振動(dòng)響應(yīng)特性的影響未知，基于被動(dòng)控制圓柱的流致振動(dòng)清潔能源收集系統(tǒng)在

3、不同來(lái)流攻角下的能量轉(zhuǎn)換特性及其物理機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。
　　本文針對(duì)被動(dòng)控制圓柱，首先采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)渦致振動(dòng)-馳振過(guò)渡區(qū)間的柱體振動(dòng)特性展開(kāi)詳細(xì)的研究，得到了柱體的振幅、頻率和尾流旋渦形態(tài)的變化規(guī)律，分析了柱體的升力響應(yīng)特性以及升力-位移相位差等，深入探討柱體馳振的激勵(lì)機(jī)制。最后，本文進(jìn)一步探究不同來(lái)流攻角對(duì)柱體振動(dòng)特性的影響，獲取柱體在不同來(lái)流攻角工況下能量收集特性等表現(xiàn)性能，主要得到以下結(jié)論。
　　首先，針對(duì)

4、被動(dòng)控制圓柱在 VIV-馳振過(guò)渡區(qū)的柱體振動(dòng)特性展開(kāi)詳細(xì)研究：在本文所研究的折減速度范圍內(nèi)（5.50≤U*water≤9.63），可以觀察到被動(dòng)控制圓柱體的三個(gè)振動(dòng)分支：VIV上部分支、VIV-馳振過(guò)渡區(qū)和馳振分支，本文數(shù)值計(jì)算成功捕捉到了柱體馳振的激發(fā)。柱體在 VIV-馳振過(guò)渡區(qū)時(shí)具有較高的振幅，并且隨來(lái)流速度增加，振幅持續(xù)上升。柱體振動(dòng)發(fā)生馳振后，最大振幅達(dá)到了3.88D。當(dāng)柱體處于VIV-馳振過(guò)渡區(qū)時(shí)，隨著U*water增加，柱體

5、振動(dòng)頻率比并沒(méi)有進(jìn)一步繼續(xù)隨之上升，而是緩慢下降，過(guò)渡到高振幅、低頻率的馳振階段。本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果的振幅和頻率大小與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極為接近，對(duì)照效果良好。
　　其次，通過(guò)進(jìn)一步分析，探究柱體由VIV向馳振轉(zhuǎn)變的激勵(lì)機(jī)制：隨著柱體從VIV上部分支向馳振轉(zhuǎn)變，升力系數(shù)曲線與位移曲線之間相位差基本為0°，升力始終與位移保持同相，升力能最大限度地促進(jìn)柱體的振幅向增大的馳振方向發(fā)展。但是升力大小變化卻與振幅大小變化規(guī)律不一致，升力大小不是導(dǎo)致馳振

6、產(chǎn)生的唯一因素。升力大小和方向共同決定著柱體振幅的變化方向。被動(dòng)控制圓柱的粗糙帶能夠促進(jìn)柱體脫體旋渦數(shù)目的增加、旋渦強(qiáng)度差異化和旋渦模態(tài)的復(fù)雜化，進(jìn)而強(qiáng)化柱體的旋渦脫落并改善柱體的升力特性等，使得柱體的馳振得到激發(fā)。
　　最后，本文探究來(lái)流攻角對(duì)柱體振動(dòng)響應(yīng)特性和能量收集特性的影響：在本文所研究的攻角范圍內(nèi)（0°≤αattack≤90°），隨著攻角的增加，不同振動(dòng)分支的柱體能夠觀察到其流致振動(dòng)先被強(qiáng)化，而后被劇烈削弱的變化趨勢(shì)（與

7、攻角為0°時(shí)的相比）。柱體最大振幅分別在攻角為αattack=10°（馳振階段）和αattack=20°（VIV上部分支）時(shí)取得。當(dāng)αattack≥55°時(shí)，沒(méi)有觀察到明顯的流致振動(dòng)現(xiàn)象。大攻角階段（αattack≥55°），尾流區(qū)域狹長(zhǎng)細(xì)小化，旋渦脫落被嚴(yán)重抑制，柱體的流致振動(dòng)因而也被強(qiáng)烈削弱。值得注意的是，在柱體取得最大振幅的來(lái)流攻角下，可以觀察到一種復(fù)雜的脫落旋渦再附著現(xiàn)象，其強(qiáng)化了柱體與流體之間的流固耦合作用，這導(dǎo)致了柱體流致振