基于一种固体区域迭代算法的圆柱涡激振动数值计算

利用Fluent平台的用户自定义程序（UDF）以及动网格模型,实现了圆柱运动方程的一种迭代求解算法,分别对层流、湍流状态下,弹性支承圆柱体在一定约化速度下的涡激响应进行了数值模拟,探讨了不同阻尼比对涡激响应的影响。结果表明：采用该迭代求解算法对弹性支承圆柱涡激振动的预测结果较为合理;随着阻尼比的逐渐增加,初始支振幅、升阻力系数时程曲线将由多频率拍振,最终变为单一频率主导的振动,且涡激振幅逐渐减小;除了质量-阻尼比联合参数m*ζ外,阻尼比ζ本身也应作为一个重要的涡激影响参数单独进行考量。     

质量比和阻尼比对高阻尼涡激振动的影响

涡激振动水生能源是一种可在低流速条件下利用水中涡激振动现象从周围流场中提取水流动能的新兴可再生清洁能源技术,其能量转换装置在进行能量传递和转换过程中会对涡激振动系统引入较高的阻尼,使其不同于以往研究较多的低阻尼涡激振动系统。文章建立了一个单自由度涡激振动模型,模型采用受迫振动实验得到的流体力数据,通过迭代求解涡激振动能量转换装置的动力响应,进而计算系统转换功率。通过对质量比m*和阻尼比ζ等重要参数对涡激振动响应及能量转换效率影响的细致研究,揭示出:频率锁定的发生及较大能量转换效率的无量纲流速范围主要受质量比控制;最大能量转换效率主要受质量—阻尼参数m*ζ控制,并且存在一个最优值;出现最大能量转换效率的无量纲流速与m*ζ有关,在m*ζ0.2的范围内出现最大能量转换效率的无量纲流速随质量比和阻尼比的变化而变化,而在0.2m*ζ0.7的范围内与阻尼比无关,主要取决于质量比。     

考虑涡泄模式的低质量比圆柱涡激运动数值模拟

本文与经典实验进行对比,对二维圆柱在不同来流速度下的涡激运动进行研究。将运动系统简化为质量(m)-弹簧(k)-阻尼(ζ)系统,分析浮式圆柱运动的控制方程并通过4阶Runge-Kutta法求解运动微分方程,借助UDF编程嵌入到Fluent求解器中进行求解,结合动网格技术实现流固耦合,对比Jauvtis和Williamson的经典实验以验证数值模拟的可靠性,再现了SS,2S,2T和2P的涡泄模式。虽得到了与Jauvtis和Williamson物理模型实验相近的一些典型结果,没有做更进一-步的研究,但通过实验数据与数值模拟的对比,能够区别研究相同质量比下其他不同参数对涡激运动特性的影响。对m^*=1的浮式圆柱与低质量比圆柱m^*-2.6进行涡激运动数值模拟研究对比,发现不同约化速度下对运动频率、涡泄模型等涡激运动特性均有不同程度的影响。     

两自由度运动圆柱绕流的离散涡方法模拟

应用离散涡数值方法(Discrete Vortex Method,DVM)对弹性支承的二维圆柱绕流的涡激振动(VIV)问题进行数值模拟,研究单自由度横向运动系统、两自由度系统横向和流向耦合运动这两种模型的计算结果,得到了不同质量比、不同折合速度下的尾涡形状、受力系数和圆柱响应曲线,并分别提取了单自由度和两自由度两种模型所得到的横向振幅进行对比.总结出受质量比和自由度数影响的圆柱响应的变化规律,证实了锁定lock-in现象的发生过程.通过与实验结果的对比,验证了计算结果较为合理和可靠,说明离散涡方法是研究涡激振动问题的有效手段,并且它能够适应高雷诺数下的计算,并且认为圆柱的流向运动对涡激振动起着促进作用,在数值模拟中是应当予以重视的.计算过程采用FORTRAN语言编程实现.     

单双圆柱涡激振动数值模拟研究

基于CFD方法,对质量比为7的单圆柱和并列双圆柱的涡激振动进行数值模拟研究,对单圆柱涡激振动的研究表明:其锁定区为4.8U_R7.6,在锁定区内旋涡发放频率被结构的固有频率锁定,位移与升力的相位差为零,圆柱的无量纲振幅急剧增大。在锁定区边缘,由于涡脱频率不能完全被结构的固有频率锁定,出现"拍振"现象。对并列双圆柱涡激振动的研究表明:流场充分发展达到稳定的时间随间距比的增大而增加,在3.0≤T~*≤4.0时,两圆柱的振动反相同步,在4.0T~*≤5.0时,两圆柱的振动不同步,T~*≈4为两圆柱振动是否同步的临界间距比。     

附加旋转圆柱涡激振动发电装置能量获取性能研究

应用基于嵌入式迭代浸入边界法,数值模拟了附加旋转圆柱的海流能利用装置的涡激振动,研究了能量利用效率CP,harness随俘能阻尼比ζharness、附加圆柱的无量纲转速α和方位角θ的变化规律,得到了能量利用效率优化参数组合。进一步研究了能量利用效率随组合参数α/θ的变化规律,给出了拟合关系式,定性分析了拟合公式系数随影响参数的变化规律。     

低长径比浮式圆柱涡激运动实验研究

为研究低长径比浮式圆柱涡激运动响应,对其进行了水槽模型实验研究。测试了三种长径比(L/D=2.5、2.0、1.5)圆柱在不同来流速度下的运动响应及顺流向、横流向动水压力,从响应幅值、涡泄频率、受力分析等多个角度出发,分析其涡激运动的关键特征。研究表明:涡激运动响应幅值随长径比的减小呈降低趋势,这种趋势在锁定阶段更加明显;涡激运动锁定区前后阶段,涡泄频率与固有频率比值随约化速度呈线性增加,锁定区前St≈0.18,锁定区后St数小于0.18,且随长径比的减小而减小。     

关于二维平面圆柱涡激振动的数值模拟

利用有限元软件Adina建立平面二维圆柱绕流的数值模型,模拟低雷诺数条件下流体与圆柱间的涡激振动。随着流速加大,圆柱振动经历非锁定一锁定一脱离锁定的过程,由于锁定形态下圆柱振动与尾涡脱落引起的流体力形成共振,使圆柱的振幅增大。仅考虑圆柱顺流向振动时,横流向振幅略有增加;同时考虑圆柱在平面内的旋转和顺流向振动时,横流向振幅显著增加、锁定区间加宽,且质量比越低变化就越明显。     

串列双圆柱涡激振动数值模拟

基于计算流体力学技术开展了低雷诺数Re=150条件下串列双圆柱单自由度涡激振动的数值模拟研究,分析了不同间距比L/D=1.5~5.0、约化速度V_r=3~13条件下串列双圆柱结构动力响应和尾流旋涡脱落特性.结果表明间距比的变化改变下游圆柱锁定区间.对于各个间距比下的上游圆柱其动力响应和单圆柱涡激振动基本相同,而对于下游圆柱其动力响应明显与单圆柱不同.研究还发现存在一个临界约化速度V_(r,crit),当V_rV_(r,crit)时,上游圆柱振幅大于下游圆柱振幅;而当V_rV_(r,crit)时,下游圆柱振幅大于上游圆柱振幅.此外,文中还对不同间距比条件下上、下游圆柱尾流旋涡脱落形态展开了相应的研究.     

时间步长对低质量比圆柱涡激振动数值结果的影响

从圆柱涡激振动数值模拟结果的精度及可信度的角度出发,应用弱耦合算法分析时间步长选取对弹簧支撑低质量比圆柱涡激振动响应结果的影响.计算选取自激振动幅值分支的三个代表性流速,比较不同时间步长下响应结果.比较分析表明:在幅值响应的初始分支和下端分支段,存在最优的时间步长,使得计算效率最高,最接近实验现象;而在幅值响应的上端分支,数值结果要低于实验值,且相位角对求解时间步长非常敏感.     

倒角半径对方柱涡激特性的影响研究

采用有限体积法对具有不同倒角半径方柱涡激振动开展了数值研究。方柱涡激振动系统简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST k??湍流模型对低质量比弹性支撑的方柱涡激振动进行了模拟。研究发现:方柱涡激振动最大振幅曲线随着折合速度的增大先增大后减小,与圆柱涡激运动初始激励分支和下端分支相类似,但没有发现幅值跳跃现象。流向振幅最大值出现在20%倒角且折合速度5.0时,大小为0.28D,而横向振幅在30%倒角工况中折合速度为6.0时达到最大值0.47D。方柱涡激振动没有发生类似圆柱一样的频率锁定现象,但其振幅呈现明显的"差拍"规律,差拍区间随倒角半径大小而异,最后对不同倒角半径下方柱运动轨迹进行了讨论分析。     

近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析

[目的]为探讨近壁旋转圆柱尾流及流体力特性,对典型间隙比下旋转圆柱绕流进行研究。[方法]对雷诺数Re=200下3种典型间隙比（G/D=0.2,0.8,1.4）的旋转圆柱绕流展开数值模拟,对比不同间隙比和转速比下的圆柱尾流及流体力特性。[结果]结果显示：当G/D=0.2时,圆柱表面脱涡会受到显著抑制,圆柱表面升阻力无波动;当G/D=0.8和1.4且转速比较低时,会发生“尾流涡”脱落现象,其结构与2S模式相似,升阻力系数呈正弦周期性波动,振幅较小;当正旋转速较大时,圆柱表面无漩涡脱落,形成稳定的D模式尾流（随转速比增大由D+模式变为D-模式）,“尾流涡层”与“壁面涡层”发生分离,“壁面涡”呈现多周期性脱落现象,升阻力系数呈多周期波动,振幅显著增大;当反旋转速较大时,圆柱表面被一层正涡量的涡层包裹,漩涡脱落受到显著抑制,升阻力无波动。[结论]所得结论可为高效流动控制技术发展提供参考。     

不同质量比对刚性圆柱体涡激振动振幅的影响

涡激振动发电装置是一种能够捕获浅海区域低流速海流能的新型能源装置,为了在不同海况下均能高效地对能量进行转换,需要对振动参数进行探讨,因此本文对质量比在振动响应和能量方面进行了分析。结合尾流振子模型和结构振动模型,得到双自由度涡激振动耦合模型,将Stappenbelt实验设置输入该模型,模型计算结果与其实验结果吻合,验证了模型的正确性。通过对中低质量比、超低质量比和高质量比三种条件下的柱体涡激振动响应进行分析,结果表明：中低质量比条件下,振幅和频率锁定区间宽度随质量比增加而减小;超低质量比条件下,顺流向无量纲振幅接近1,无法忽略,双向最大振幅发生约化速度Ur=6附近;高质量比条件下,最大振幅所对应的约化速度随着质量比的增加而增加,顺流向第二次波峰消失,横向出现两次波峰。     

刚性圆柱结构顺流向涡激振动特性分析

文章研究了刚性支承圆柱的顺流向涡激振动特性,在第二激励区域,运用van der Pol方程描述漩涡脱落的尾迹特性,采用尾流振子模型计算圆柱结构的响应,讨论和分析了质量-阻尼参数、质量率和结构阻尼对顺流向涡激振动的影响机理。     

控制杆对柔性圆柱涡激振动的抑制效果研究

涡激振动会造成海洋柔性柱状构件疲劳损伤,合理的抑制装置能够有效延长结构的使用寿命。控制杆是常见的涡激振动抑制装置,高雷诺数条件下,多根控制杆的排布方式对涡激振动抑制效果的影响有待进一步研究。文中通过设计室内模型实验,观测了高雷诺数条件下控制杆对柔性圆柱涡激振动抑制效果。圆柱模型的长径比为350,质量比为1.9,最高雷诺数可达16 000。研究结果表明:控制杆对柔性圆柱的涡激振动抑制效果显著,四根控制杆的抑制效果优于三根控制杆。     

基于全相似的串联双立管大雷诺数涡激振动研究

为了解串联双立管的涡激振动情况,基于完全动力相似,采用ANSYS/CFX针对大雷诺数串联双立管的涡激升力和脉动拖曳力以及圆柱绕流和流固耦合,基于物理模型分析串联双立管在不同雷诺数、不同间距下双立管的受力情况,结果表明,当两立管间距较大,采取圆柱绕流的方法代替流固耦合来模拟立管受力时,结果可信并偏安全。     

考虑涡泄模式的低质量比圆柱涡激运动数值模拟

本文与经典实验进行对比,对二维圆柱在不同来流速度下的涡激运动进行研究。将运动系统简化为质量(m)-弹簧(k)-阻尼(ζ)系统,分析浮式圆柱运动的控制方程并通过4阶Runge-Kutta法求解运动微分方程,借助UDF编程嵌入到Fluent求解器中进行求解,结合动网格技术实现流固耦合,对比Jauvtis和Williamson的经典实验以验证数值模拟的可靠性,再现了SS,2S,2T和2P的涡泄模式。虽得到了与Jauvtis和Williamson物理模型实验相近的一些典型结果,没有做更进一步的研究,但通过实验数据与数值模拟的对比,能够区别研究相同质量比下其他不同参数对涡激运动特性的影响。对m*=1的浮式圆柱与低质量比圆柱m*=2.6进行涡激运动数值模拟研究对比,发现不同约化速度下对运动频率、涡泄模型等涡激运动特性均有不同程度的影响。     

基于模型试验的实尺度立管涡激振动响应预报方法研究

为了研究立管涡激振动模型试验与实尺度立管涡激振动响应之间的相互关系问题,文章从模型试验的相似理论出发,基于涡激振动预报方法的理论分析;通过对模型试验中按照相似理论换算得到的流速进行调整的方法,改变模型立管的涡激振动响应,并逼近实尺度立管的涡激振动响应.结果表明:通过调整试验流速,提高试验的雷诺数,可以使立管模型的涡激振动响应模态数、无量纲振幅RMS(A/D)响应与实尺寸立管很好地符合.针对不同的缩尺比模型,给出了立管模型试验流速与其模拟的真实流速之间的对应关系式.     

不同间距比下串联圆柱涡激振动数值模拟研究

针对不同间距比下小尺寸串联双圆柱在双自由度下的涡激振动位移响应,受力特性以及运动轨迹等进行仿真研究,应用Fluent中的SST k-ωMesh技术进行网格划分,运用动网格技术实现流固耦合。研究结果表明当S/D=3时,上游、下游两圆柱的“锁定”区间均为Vr=7-9,当S/D=4与S/D=5时,两串联圆柱的“锁定”区间范围增大。同时随着串联两圆柱间距比增大,上下游圆柱之间的影响逐渐减小,导致升力系数相应减小。随着约化速度增大,上下游圆柱的阻力系数均趋于稳定。当S/D=3时串联两圆柱运动的规律性较差,随着间距比增大上游圆柱“8”字形变得更加标准,下游圆柱轨迹则呈现多样化的特点。     

波流联合作用下深海垂直杆件三维振动响应分析

本文研究了深海垂直杆件在波流联合作用下的波激-涡激-参激耦合振动特性.基于Hamilton原理,建立了垂直杆件的三维振动模型,考虑Morison力、涡激力和顶端变张力,对结构的波激-涡激振动和波激-参激-涡激联合振动进行数值模拟,求得杆件各点位移时历曲线,并针对时历曲线进行快速傅里叶变换得到能量频谱,从能量角度分析杆件振动特性.在此基础上,研究了振动幅值随流速、参激频率和参激幅值的变化规律.研究表明:在波流联合作用下,杆件振动出现非线性,轴向振动存在1/2和1/4亚频振动成分,拖曳力方向振动存在二倍波激频率成分;当涡泄频率接近杆件横向振动固有频率时,轴向振动和涡激振动振幅增加;存在参数激励时,杆件三个方向的振幅增大,振动对流速更加敏感;参激频率接近杆件固有频率时,轴向振幅和涡激振幅均增加,而当参激强度增加时,三个方向的振幅均增加,平衡位移不受影响.