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。     

湍流强度对非对称粗糙带圆柱流致振动影响的研究

本文采用非定常RANS方法和Spalart-Allmaras湍流模型,结合动网格技术,通过Fluent二次开发平台编写程序代码实现流固信息交换,实现非对称粗糙带单圆柱及串列双圆柱流致振动并行数值计算。主要研究雷诺数在3×10⁴~1.2×10⁵范围内入口湍流强度对非对称粗糙带单圆柱及串列双圆柱流致振动的影响。研究结果发现,入口湍流强度的增大会引起尾涡拉长,使得非对称粗糙带单圆柱和串列双圆柱下游圆柱的振幅比减小,且会削弱圆柱振子的振动偏移现象;随着雷诺数增大,非对称粗糙带单圆柱和下游圆柱的尾涡数量增加,依次出现2S、QP+P、2P+2S、不稳定的2T、2T、2T+S和2T+2S等模式,在雷诺数为6×10⁴时可发现新的模式Double-S(DS)。     

考虑流固耦合效应的圆柱尾板流场控制效果比较研究

基于流固耦合方法对分隔板圆柱绕流进行数值模拟研究,分析了雷诺数Re=200时,分隔板长度(D≤L≤3D,D为圆柱直径)对圆柱受力和周围流场的影响。结果表明：分隔板长度L≥2D时,考虑流固耦合后柔性分隔板圆柱的升力系数大于刚性分隔板圆柱,且随板长增加升力系数不断提升,阻力系数也相应增大;柔性分隔板尾缘流场受自由端上下摆动影响,未出现小尺度旋涡,同时分隔板上、下表面均出现旋涡。此外,流固耦合条件下尾缘旋涡结构模式将发生变化,刚性分隔板圆柱尾迹旋涡为2P型,柔性则为2S型;随分隔板长度增加,柔性分隔板自由端发生偏转,增加了对流场的额外扰动,分离流的旋转特性受到抑制,斯特努哈尔数(Strouhal, St)均小于刚性分隔板(除分隔板L=2D外),同时脱落涡的涡强及脱落频率均有所降低。     

Magnus效应旋转圆柱水动力性能分析

为研究Magnus效应旋转圆柱水动力性能，采用大涡模拟（LES）模型对Magnus效应旋转圆柱进行数值模拟，分析旋转圆柱的长径比、转速比、雷诺数对其升力及三维流场的影响，模拟旋转圆柱升阻力变化趋势和尾部流场涡的脱落过程。结果表明：当转速比大于1.5时，旋转圆柱的升阻比随长径比一直增加；升阻比随转速比的变化规律是以1.7为界先升后降；旋转圆柱脱落的旋涡轨迹与来流形成一定的夹角，且角度会随转速比逐渐增大；当转速比大于1.75时，卡门涡街消失，旋转圆柱尾涡长度逐渐缩短，最终只有圆柱上表面发生涡旋脱落，下表面的涡不再脱落，附着在圆柱表面；雷诺数会改变旋转圆柱尾部流场，使升阻比先增加，达到峰值后以相反趋势下降。     

振动半圆柱尾流中的二维摆动水翼推进性能研究

文章研究了粘性流场中半圆柱振动产生的旋涡对二维摆动水翼推进性能的影响。利用数值方法计算了振动半圆柱尾流中二维摆动水翼的水动力性能。计算结果表明,半圆柱涡和水翼涡之间存在4种相互作用模式。相反旋向的半圆柱涡和水翼涡相互作用时,摆动水翼的平均推力系数最大。相同旋向的半圆柱涡和水翼首缘涡相互作用并且最终融入到水翼尾缘涡时,摆动水翼能够从半圆柱涡中吸收能量。     

附属分离盘抑制圆柱涡激振动的数值模拟

基于动网格技术,编写UDF程序计算附属不同长度分离盘的圆柱双自由度涡激振动,并借助FLUENT软件模拟计算其周围流场。通过模拟计算不同长度附属分离盘的圆柱涡激振动,系统地对比分析其所受升阻力系数、振动响应、尾流涡形态、运动轨迹和频率特征等方面内容,并总结其一般规律。分析发现,添加合适长度的分离盘可以大大降低涡泄频率,有助于避开“锁定”区域,降低涡激振动的响应,同时还应该注意附属分离盘带来的多频和宽频振动特征。该数值模拟方法也为附属抑制装置的立管涡激振动数值模拟奠定了基础。降低,当约化速度Ur=5.5附近,分离盘长度越长,升阻力系数与振动响应越小。（2）添加附属分离盘后,裸圆柱所对应的双排尾流涡将变为单排尾流涡;随着分离盘长度增大,涡泄的位置往后推移,与此同时,分离盘的两侧逐渐出现一组次漩涡（分离盘上产生的漩涡）;分离盘长度L=0.5D时,因其未能完全阻隔上下两侧漩涡的相互作用,并将一侧漩涡切分为二,与另一侧漩涡在尾流形成2P形态的涡。（3）附属分离盘长度的增加使得圆柱振动范围不断缩小,但会造成多频的振动特征,而且还有效地改变来流向响应与横向响应的相位角。（4）添加附属分离盘后,一方面圆柱阻力的主频率明显降低,而且主频率所对应的功率谱密度也明显降低,说明分离盘能降低来流向的振动频率与振动强度,但会造成附属分离盘的圆柱阻力表现为多频、宽频的振动特征;另一方面添加附属分离盘的圆柱升力频率明显降低,但同样会造成多频和宽频的振动特征。总的来说,添加合适长度的分离盘可以大大降低涡泄频率,有助于避开“锁定”区域,降低涡激振动的响应,同时还应该注意附属分离盘带来的多频和宽频振动特征。本文的数值模拟方法也为附属抑制装置的立管涡激振动数值模拟奠定基础。     

上游静止柱体对圆柱体结构尾激振动的影响

文章运用半隐式特征线分裂算子有限元算法对串列布置的静止上游柱体和下游圆柱的尾激振动问题进行了数值模拟研究。数值结果表明:上游柱体结构的形状、尺寸比(d/D)和折减速度(Ur)三个参数对下游圆柱体结构的动力响应、运动轨迹与涡脱落模态有着显著的影响,且与单圆柱工况相比存在明显区别;随着尺寸比的增大,上/下游柱体结构之间的互扰作用会由流致效应逐渐转变为尾流效应,使得频率特性发生变化,并会导致下游圆柱体结构的振动响应增强;当d/D=0.5和1.0时,下游圆柱体结构的运动轨迹主要为“8”字形;当d/D=1.5时,除了“8”字形外,运动轨迹还会呈现双弯刀形、“双8”字形和不规则形状。通过对流体力系数与位移时程曲线及位移PSD曲线特性进行分析,揭示了其相互作用的内在机理。另外,下游圆柱体结构的尾流场特性也会随参数的变化而变化,其涡脱落模态主要为2S、P+S和2P三种。     

低雷诺数圆柱绕流的大涡模拟分析

以二维圆柱为研究对象,采用大涡模拟的方法对圆柱绕流进行数值模拟。计算的雷诺数Re=400。计算结果能够清晰地反映卡门涡街的周期性脱落。通过对圆柱表面压力分布的深入探究,揭示圆柱尾流中产生周期性旋涡脱落的原因。研究结果中的阻力、升力呈周期性变化规律以及斯特劳哈尔数(St)都与前人实验结果较好吻合,说明大涡模拟能够对低雷诺数的圆柱绕流进行准确的模拟。     

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。     

新型深水多立柱FDPSO流场特性及水动力性能研究

文章基于分离涡数值模拟法对不同来流速度和不同来流方向下FDPSO水动力系数（包括阻力系数、升力系数和压力系数）进行了数值模拟和分析。主要结论如下：升、阻力系数时历曲线表现为“脉动性”,由于上游立柱周期性尾涡作用,导致下游立柱阻力系数较上游立柱系数略大;下游立柱升力系数周期性强于上游立柱。由于浮箱布置不同,串列与并列浮箱之间阻力系数与升力系数表现不同。由于P5位于P1“屏蔽区”,导致P5阻力系数较P1阻力系数小;而P6受到P8尾流作用,导致P8阻力系数较P6大。由于并列浮箱之间流体排斥性作用,导致P3和P7、P4和P6升力系数均值为一正一负,但P4和P6所受升力系数较P3和P7要大。由于流场三维特性与尾涡各向向异性特点,导致不同截面下压力系数为“W”型变化趋势,表现出驻点/尾涡撞击点、边界层附着区和尾涡分离区域。     

旋转圆柱绕流的流场特性

在亚临界区Re=1.4×105条件下,基于大涡模拟（LES）方法对均匀来流作用下的旋转圆柱绕流进行了数值模拟。通过与非旋转时的实验和计算结果比较,验证了文中计算的准确性。在此基础上,对不同转速条件下（0≤α≤2,α为圆周线速度与自由来流速度的比值）的圆柱绕流进行了数值研究。结果表明,圆柱旋转可以有效地抑制其旋涡脱落,随着转速的增加,可大幅提高其升阻比,主要表现为阻力系数减小而升力系数线性增大。当α=2时,阻力系数和升力系数在经过短暂过渡期后达到稳定。     

圆柱后梁结构振动对尾涡发放特征影响的研究

采用分离式双向流固耦合分析方法,对刚性圆柱-弹性梁结构的涡激振动现象进行数值模拟。结构承受的流体载荷用CFD方法计算,弹性梁结构的振动响应用有限元方法求解。基于Ansys Workbench平台的System Coupling模块实现数据传递,完成耦合计算。通过与绕流刚性梁尾涡的发放特征进行比对,分析结构振动对尾涡发放的影响。研究结果表明,振动对尾涡场结构以及尾涡发放频率有较大影响。与绕流刚体相比,弹性梁自由端的振动使得附连流体的运动状态发生改变,导致尾涡形成区长度变短,宽度增加,速度亏损增加。弹性梁结构自由端附近尾流场涡旋中心的强度高于刚体结构的尾涡强度,但其空间衰减梯度较大,使得远场涡强较低。     

串列双圆柱绕流的大涡模拟分析

采用大涡模拟的方法研究了在Re=50、Re=200时串列双圆柱绕流问题,成功模拟了这两种工况下的卡门涡街现象。对其涡街结构进行了深入剖析,发现随着雷诺数的增大,泻涡结构逐渐发生改变。同时通过对其水动力特性进行相关研究,发现在串列双圆柱情况下,阻力与升力的振动频率仍为2倍关系,而且随着雷诺数的增加,上下游圆柱的阻力和升力均呈现多频振动。     

无限长圆柱绕流的三维数值模拟

采用大涡模拟对亚临界区内(Re=3900)三维圆柱绕流现象进行了数值模拟研究,分析了圆柱体表面的受力以及圆柱后流场的时均特性与瞬时特性。结果表明,当Re=3900时圆柱体表面与流速方向相反的压力差引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,这使得圆柱表面的升力呈现"准周期性"的振动变化,并在圆柱后近流场出现了回流区。研究还发现圆柱周围的流动沿圆柱展向呈现出明显的三维特性。     

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。     

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.     

高雷诺数下加装导流板的圆柱绕流数值模拟

长圆柱结构在水流冲击和波浪作用下,后端不断产生周期性的漩涡脱落,其诱发的涡激振动会引起结构疲劳损伤,从而破坏结构。在圆柱结构迎流区和尾迹区加装导流板之后,通过阻碍上下剪切层动量交换,延迟边界层分离,从而有效抑制圆柱涡激振动现象。利用数值模拟研究了二维加装导流板的圆柱受力特性。采用k-ω湍流模型,对高雷诺数流动状态(Re=10~6)下的二维导流圆柱在不同迎流速度、及不同迎流角度下所受阻力和升力进行了计算。     

柔性拖缆涡激振动响应特性数值模拟

为分析水下拖缆在一定流速下的振动响应,使用ANSYS Workbench平台并基于双向流固耦合计算方法构建三维水下拖缆涡激振动的数值仿真框架,并对1 kn均匀流速下的拖缆涡激振动响应进行数值模拟分析。仿真得到了拖曳力、升力,振幅以及位移轨迹变化结果,为进一步研究拖缆振动响应对水下探测系统的影响提供了一定研究基础。     

基于DES方法的三维圆柱受迫振动数值模拟

基于OpenFOAM平台对雷诺数3900下的三维固定圆柱绕流和雷诺数30000下的三维圆柱受迫振动进行数值模拟,对湍流的模拟采用SA-DDES离散涡模型.针对三维圆柱绕流问题,采用PISO算法耦合求解速度-压力场,对圆柱绕流的基础参数如St数、平均阻力系数和平均升力系数等与试验进行了比较,结果吻合良好.针对三维圆柱受迫振动问题,采用PIMPLE算法耦合求解速度-压力场,对不同频率下振幅比为0.3的阻力系数、尾涡形态进行了计算,阻力平均系数与实验值相比吻合较好.