低雷诺数下串列多圆柱流致振动的数值模拟及其机理研究

发布时间：2017-12-12 11:02

  本文关键词：低雷诺数下串列多圆柱流致振动的数值模拟及其机理研究

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【摘要】：海流和潮汐等潮流能为人类提供大量的清洁可再生能源。在过去的数十年中，许多研究者致力于潮流能利用装置的研究开发。全球范围内，海流流速普遍较低（1.5m/s），传统的利用叶片旋转发电的潮流能利用装置无法启动。为了利用广泛分布的低速海流，密歇根大学的M.M. Bernitsas和K. Raghavan研发了一种新型海流能利用装置——Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy，，简称VIVACE。VIVACE装置采用一种全新的方法来收集海流能，即：基于圆柱（群）在水流作用下所发生的流致振动来提取海流能，并通过增强圆柱（群）流致振动的振幅和速度以获得更高的能量利用率。然而，目前对圆柱（群）流致振动的研究较少，尚未形成系统的理论体系，制约了VIVACE海流能利用技术的进一步发展。本文以VIVACE海流能利用为工程背景，针对串列三圆柱的流致振动开展研究，并结合已有的研究成果，对圆柱（群）流致振动的内在机理给出更加合理、深入的解释。 本文所使用的程序为流固耦合并行计算程序CgLes_IBM，该计算程序具有二阶时间和空间精度，对流动的直接数值模拟和嵌入式迭代浸入边界法进行了结合。 本文主要研究内容为低雷诺数（Re=100）条件下，串列三圆柱流致振动的数值模拟及其机理的研究。三个圆柱均只能沿横流向自由振动，且均为刚性材料，质量比为m*=2。为使圆柱振动有更大振幅，将结构阻尼系数设为0。三个圆柱为等间距布置，并考虑4个不同的顺流向圆柱间距比L/D=2.0、3.0、4.0、5.0，折合流速的范围取为U r=3~10。数值模拟的结果主要包括三个圆柱所受的升力、阻力以及横流向振动位移。对数值模拟的结果进行分析得到了圆柱无量纲脱涡频率、锁定区间、升阻力系数和横流向位移随间距比和折合流速的变化特性。本文还给出了圆柱升力与横流向位移间的相位差和三个圆柱横流向位移间的相位差，并指出升力与横流向位移间的相位差在折合流速为=8~10时会发生180°的跳跃，即相位开关。在串列三圆柱流致振动的尾流区发现了复杂的尾流模态，并分析了尾流模态对圆柱受力及位移响应的影响。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P743

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 宫兆新;鲁传敬;黄华雄;;虚拟解法分析浸入边界法的精度[J];应用数学和力学;2010年10期

2 林勇刚;李伟;刘宏伟;马舜;;水下风车海流能发电技术[J];浙江大学学报(工学版);2008年07期

本文编号：1282232