小直径附加圆柱对圆柱涡激振动抑制的参数优化

发布时间：2021-02-01 03:16

　　采用基于迭代嵌入式浸入边界法对后方对称布置两个小直径圆柱的单圆柱涡激振动进行了数值模拟研究,对涡激振动抑制进行了参数优化。雷诺数和圆柱直径比分别为Re=100和d/D=0.125,其中D和d分别为大、小圆柱直径。通过改变控制角度（θ）、主圆柱与小圆柱的间隙比（G/D）、小圆柱旋转角速度和旋转方向（α）和阻尼比（ζ）确定的最优控制参数组合为θ=25°、G/D=0.125、α=-2.2和ζ=1.02。小圆柱的旋转角速度和旋转方向对圆柱振幅有一定的影响,其中内向反转会进一步抑制圆柱的振动,外向反转则恰好相反。随着阻尼比的增加,圆柱振幅先增后减,但影响程度较小。 

【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(03)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

计算域和边界条件设置

图3 主圆柱振幅随间隙比(G/D)变化的情况本文进一步研究了不同阻尼比对主圆柱涡激振动的抑制情况。模拟参数如下:阻尼比ζ=00.5,控制角θ=25°,间隙比G/D=0.125,折合流速Ur=6.0和无量纲转速α=0。如图5所示,随着阻尼比的增加,主圆柱的振幅呈现出先增后减的趋势,最大振幅仅为A*m=0.09,出现在阻尼比ζ=0.1的工况下。通常阻尼比的增加会对涡激振动起到抑制作用,更大的阻尼比意味着更多的能量消耗,导致振幅减小。然而,阻尼比的增加也可以通过振动的变化影响流场,导致圆柱所受水动力增大,这或许是阻尼比由ζ=0增大到ζ=0.1时圆柱涡激振动幅值小幅增加的原因。不过,总体上圆柱振幅还是随着阻尼比的增加而减小的,并且其影响的程度远低于其他因素的影响。根据图5给出了主圆柱振幅随阻尼比变化的拟合公式可以得到,当阻尼比为ζ=1.02时,主圆柱的振幅会变为零。

综合以上分析可以得到,在本文研究的参数范围内,以能实现最大程度的抑制主圆柱振动为目标,建议的最优参数组合为控制角θ=25°,间隙比G/D=0.125,无量纲转速α=-2.2和阻尼比ζ=1.02。当从节省额外机械设备和能量输入角度考虑,建议的最优参数组合为控制角θ=25°,间隙比G/D=0.125,无量纲转速α=0和阻尼比ζ=0。为检验所确定的最优控制参数组合在整个锁定区间内对涡激振动的抑制效果,对不同折合流速工况进行了数值模拟,其中雷诺数为Re=100,阻尼比为ζ=0,质量比为m*=2.0,直径比为d/D=0.125,控制角为θ=25°,间隙比为G/D=0.125,无量纲转速为α=0。如图6所示,在涡激振动范围内(Ur=3～10),主圆柱的振幅最大值要小于A*m=0.1,远小于孤立圆柱的最大振幅A*m=0.54,因此实现了对圆柱涡激振动的全流速抑制。图7对比了最优控制参数组合下有无控制圆柱的涡激振动脱涡频率。在控制圆柱的影响下,主圆柱的脱涡频率维持在St=0.16附近,与固定圆柱绕流的脱涡频率接近。此外,当Ur=5～8时,孤立圆柱的脱涡频率锁定在系统的固有频率上,导致共振发生。增加控制圆柱后,脱涡频率远离系统的固有频率,共振不再发生。


本文编号：3012106