不同截面形狀柱體流致振動及能量轉(zhuǎn)換特性.pdf

1、柱體繞流是一種常見的自然現(xiàn)象，涉及到許多復(fù)雜的流動機(jī)理。流體流經(jīng)柱體表面，會在柱體后方形成交替性的旋渦脫落，旋渦的脫落會進(jìn)一步在柱體表面產(chǎn)生周期性的脈動作用力。當(dāng)柱體為彈性安裝時，這種作用力會導(dǎo)致柱體產(chǎn)生周期性振動，稱為“流致振動”（Flow-inducedmotion,FIM）。傳統(tǒng)的關(guān)于流致振動的研究主要集中在土木建筑工程領(lǐng)域，目的在于抑制或消除流致振動的產(chǎn)生，減少流致振動引發(fā)的安全問題。但流致振動也有有利的一面，近年來基于流致振動

2、的清潔能源利用技術(shù)的研究受到了越來越多的關(guān)注，將流致振動與清潔能源利用相結(jié)合，可以對這種潛在的破壞性現(xiàn)象進(jìn)行有效利用。柱體幾何特征是影響流致振動激振力的一個關(guān)鍵影響因素，但目前截面形狀對流致振動響應(yīng)的影響尚未受到足夠重視。因此，對不同截面形狀柱體流致振動的研究具有非常重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。
　　本文采用數(shù)值模擬為主、實(shí)驗(yàn)為輔的方法，詳細(xì)分析了不同截面形狀柱體在高Re數(shù)（1×104≤Re≤1.2×105）下流致振動振幅、頻率

3、以及尾流響應(yīng)，并得到了振動機(jī)械能輸出功率，對柱體的能量收集效果進(jìn)行了評估。探討了截面幾何特征對柱體旋渦脫落的影響，揭示了不同截面形狀柱體的流致振動激勵機(jī)制，探索改善柱體截面幾何形狀以提高能量收集效果的方法。
　　本文首先使用風(fēng)洞試驗(yàn)對本文中數(shù)值求解方法的計算準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，然后對不同截面形狀柱體的流致振動進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬。與光滑圓柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，本文研究的不同截面形狀柱體都能在更寬的高Re數(shù)范圍內(nèi)獲得更高的振幅。其中所有梯形

4、柱的振幅大小要明顯高于其他截面形狀下的振幅，最大值達(dá)到了4.5D。此外，對于在流向上不對稱的不同攻角方柱，方柱的振動平衡位置會偏離系統(tǒng)靜止時的平衡位置，偏移量在攻角α=20°時達(dá)到最大。
　　小攻角方柱（α＜10°）、梯形柱、小頂角三角柱（θ=53.13°和θ=60°）繞流的流致振動的頻率比遠(yuǎn)低于光滑圓柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是由于這些柱體都發(fā)生了渦致振動（VIV）向馳振的轉(zhuǎn)變。除了上述產(chǎn)生了馳振的截面形狀柱體，本文研究的其他柱體則有著與

5、光滑圓柱相類似的頻率比變化趨勢，隨著Re數(shù)的增加，部分方柱（α≥10°）和菱形柱觀察到了高頻VIV。其中AR=1.0的菱形柱頻率比要明顯高于其他柱體，最大值在Re=120,000時達(dá)到了4.1左右。
　　當(dāng)柱體的截面形狀改變時，本文中觀察到了VIV和馳振兩種振動模式，總體規(guī)律是：方柱攻角、三角柱頂角的增加以及菱形柱軸比例的減小會抑制馳振的產(chǎn)生。
　　方柱的攻角變化對尾流旋渦結(jié)構(gòu)的影響最為復(fù)雜，當(dāng)Re數(shù)和攻角α變化時，方柱的尾

6、流響應(yīng)可以分成6個獨(dú)立的區(qū)域，每個區(qū)域中的旋渦脫落模式都有區(qū)別。相比之下，梯形柱上下底比例d/D的變化對尾渦結(jié)構(gòu)影響并不大，幾乎只受Re數(shù)的影響。三角柱的尾流旋渦結(jié)構(gòu)會隨著頂角θ的增加而變得更簡單，而菱形柱的尾流旋渦結(jié)構(gòu)會隨著軸比例AR的增加而變得更難以識別。
　　本文最后計算得到了不同截面形狀柱體流致振動的機(jī)械能輸出功率，研究發(fā)現(xiàn)，方柱和菱形柱的能量收集效果要明顯優(yōu)于其它截面形狀的柱體。其中方柱的攻角α越大，能量收集效果相對越好