抑制钝体尾流与涡致振动的动波壁流动控制方法研究

发布时间：2020-05-19 23:36

【摘要】：圆柱或矩形柱等钝体结构或构件是实际工程中常见的结构形式,处于风和水流中的钝体绕流是涉及流动分离、再附和旋涡脱落等特性的经典流体力学问题。钝体绕流及旋涡脱落诱发的流体动力荷载和结构振动,常见于许多实际工程中并成为导致结构失稳或疲劳破坏的主要因素。因此,消除钝体绕流的振荡尾流,进而抑制钝体的涡致振动具有重要的科学意义和工程应用前景。本文采用基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)的数值模拟方法,研究方柱和圆柱等典型钝体的绕流尾流和涡致振动特性,进而研究动波壁(Dynamic Wave Wall,DWW)流动控制方法对方柱和圆柱的尾流与涡致振动抑制效果,并揭示该流动控制方法的物理机理。本文主要开展了以下几个方面的研究工作:(1)基于CFD通用商业软件平台Fluent,完成了不同长宽比截面矩形柱的绕流特性,得到气动力和尾流涡脱模式随长宽比的变化;并完成了方柱与风场间的双向流固耦合模拟,分析了不同质量比和折合阻尼参数下方柱发生涡致振动的气动力和振动响应特性,揭示方柱振动响应与尾流涡脱模式的相互关系。(2)以方柱为研究对象,通过CFD数值模拟方法在方柱表面生成运动的行波,重点研究动波壁的波速、波幅和波数等关键控制参数对方柱气动力和尾流涡脱模式的控制效果。通过与标准方柱绕流结果对比,得到对方柱尾流控制效果较好的动波壁控制参数。(3)采用动波壁方法对固定圆柱绕流的尾迹抑制效果进行研究,重点研究动波壁的关键控制参数对尾流控制效果的影响,完成了从固定圆柱绕流到动波壁控制整个过程的模拟,从各阶段气动力和涡脱特性揭示该方法对圆柱绕流尾流的抑制效果。(4)研究动波壁方法对弹性支撑圆柱涡致振动响应的抑制效果,分析无控圆柱的涡致振动特性和有控动波壁圆柱顺风向和横风向的振动响应特性,完成从圆柱绕流到涡致振动、再到动波壁控制全过程的数值模拟,着重分析各阶段圆柱的气动力、振动响应和尾流涡脱模式的演变规律。(5)以圆柱绕流尾流和涡致振动的动波壁流动控制结果为基础,通过圆柱柔性壁面上的边界涡量流的演变规律、边界涡量的变化规律、相对流场和3D动波壁圆柱尾流的展向空间相关性等揭示方法的控制机理。
【图文】：

示意图,计算域,模型,示意图

华南理工大学博士学位论文柱体单位长度的质量；F (t )为单位长度柱体所受到流体作用力)；0 是系统的圆频率，为系统的阻尼比， xi yj , x 、向的瞬时位移；、为柱体运动速度和加速度。因此，通过求流体力 F (t )，利用结构动力学时程分析方法可求解方程 (2-3)就域与边界设置为 40D×20D 的矩形区域，不同截面矩形柱的顺风向（x 向）长（y 向）为 D，矩形柱的长宽比 L D 分别取 1:1，2:1，3:1，，的中心位于（0，0）位置处，柱体中心与左侧边界的距离为 10 30D，与上侧和下侧边界的距离各为 10D，如图 2-1 所示。

气动力,方柱

(a) 升阻力系数时程图 2-3 气动力Fig. 2-3 Time histories of aerody图 2-4 和图 2-5 给出了一个旋涡脱落周图。当 t 0时方柱的背风面上侧有分离旋涡力系数达到正的最大值，同时阻力系数也达方柱上脱落，在 t T/4时移至方柱轴线附近小值。 t T/2时的流动状态与 t 0时刚好相后形成卡门涡街，从而使升力系数达到负的
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU31

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