论文摘要
柱体是工程中一种十分常见的非流线型结构,当流体横向流经柱体表面时,会在柱体背风面产生周期性的旋涡脱落。当柱体为固定安装时,柱体尾流中会交替形成两行大小相等、旋转方向相反的旋涡,即常说的卡门涡街（Karman vortex street）。柱体尾迹中的旋涡以一定的频率形成、发展、脱离和逸散,柱体表面的压力也以相同的频率周期性地发生变化。柱体表面受到的周期性脉动作用力包括沿流体流向的阻力和垂直流向的升力。当柱体为弹性安装时,柱体受到的脉动作用力会诱发柱体产生周期性的振动,这种柱体结构受到流体力而产生的柱体运动称为流致振动（Flow-induced Vibration,FIV）。由于流致振动可能会导致结构疲劳损伤而产生破坏性的安全事故,该现象在工程领域中一直被视为一种可能威胁到结构安全性的不利现象。近年来有学者将流致振动作为一种新的清洁能源,成功利用其进行环境能量收集。基于流致振动的能量转换利用装置结构简单、便于维护,可独立于电网运行,能够实现在各种环境尤其是复杂流场环境中的能量捕集。流致振动问题已成为人们关注的一个非常重要的研究课题。本文针对弹性支撑方柱系统的流致振动现象进行研究,深入了解不同物性参数对方柱振动响应的影响,揭示不同排列的方柱系统流致振动产生机理及动力学规律。获取方柱振动系统的流致振动响应特性,分析方柱后方近尾迹区的尾流旋涡形态,探索改进和优化多柱体系统流致振动激励机制。首先,建立了弹性支撑方柱流致振动系统的物理模型,开发了适合双方柱流致振动的数值求解器,并将耦合界面和拓扑网格技术应用于网格运动模型,解决了柱体在流致振动过程中的运动边界问题。在动力工程学院流致振动风洞实验台进行了风洞实验,验证了本文开发的流致振动数值模拟求解器的准确性。实验结果表明,影响方柱流致振动响应特性的关键因素是柱体系统的质量比和阻尼比。当质量比一定时,在较小的阻尼比下观察到了三个明显的流致振动分支响应,且阻尼比越小,流致振动激发所需速度越小。随着阻尼比增大,柱体的流致振动呈现出两分支响应。不同质量比下的柱体系统流致振动响应分支具有较大差别。当柱体尾涡脱落频率接近柱体固有频率时,柱体振幅升高,流致振动得到强化。其次,对不同来流条件下单方柱流致振动现象进行了数值研究。在研究的Re数范围内,可以明显观察到三个典型的流致振动分支:涡激振动（VIV）初始分支、VIV上部分支和驰振。与圆柱的流致振动现象不同,方柱的驰振更容易激发。在来流攻角由0°开始增大的过程中,柱体在流向上逐渐失去截面几何对称性,此时柱体的振动平衡位置偏移量达到最大值,与静止时平衡位置的差别尤其明显。特别是当来流攻角接近20°25°时,柱体的振动振幅几乎完全为负值。来流攻角的增加会抑制和推迟驰振现象的发生。在较大的来流攻角下,柱体后方近尾迹区的旋涡结构也会变得非常不稳定。在较大来流攻角下,相邻的几个振动周期内常常能观察到两种以上的旋涡结构。然后,针对串行排列双方柱振动系统的流致振动现象进行了数值研究。研究发现,在相同间距比下,上游柱体的振幅随折减速度的增加而增加。在间距比较大（4D≤T≤6D）时,两个柱体的流致振动计算结果类似,均能观察到几个特征区域:无FIV区域、VIV初始分支、VIV上部分支、VIV-驰振过渡段。而当间距比较小（T≤3D）时,上游柱体的振幅响应明显受到下游柱体的存在影响,导致振幅显著小于较高间距比下的振幅。与单个方柱的流致振动不同,上游柱体VIV激发所需流速明显更低。最后,通过数值模拟对并行排列双柱体振动系统的流致振动特性进行了研究。柱体系统振动振幅均随Re数的增加而持续增大,并在Re=100,000(U*water=22.81)时达到振幅最大值。柱体系统频率随Re数的增加而急剧增大并逐渐下降,并在较高Re数下逐渐增加并稳定在自然频率附近。柱体后方尾流旋涡结构与振幅响应和频率响应一一对应,在较高Re数下,脱落旋涡间的相互作用力增加,柱体振幅显著增大,剪切层拉长,旋涡脱落不够稳定,旋涡间存在卷吸作用。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 毛心茹
导师: 张力
关键词: 多柱体,方柱,流致振动,驰振,尾涡形态
来源: 重庆大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 力学,力学,航空航天科学与工程
单位: 重庆大学
基金: 国家自然科学基金(No.51776021,51406018),重庆市基础科学与前沿技术研究专项(No.cstc2016jcyjA0255)
分类号: O32;O357.5
DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.002376
总页数: 128
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