三维圆柱绕流与涡激振动的行波壁控制方法研究

发布时间：2020-03-25 09:39

【摘要】：圆柱绕流作为钝体绕流最经典的问题之一,由于其简单的截面形式,一直是计算流体动力学的基础研究对象之一。另一方面,钝体气动优化控制风致振动具有广泛的工程应用价值。圆柱是桥梁工程、海洋工程等领域的一种常用截面,如高层建筑、大跨度桥梁的悬索、海洋立管、海底管道等。当流体在钝体周围流动时,边界层将会发生不稳定从而导致交替脱落的卡门涡街,从而引起结构表面横风向气动力的周期性变化,当这种气动力频率接近结构固有频率时,将会发生涡激振动并产生较大振幅。此外,流致振动的长期效应可能导致设备的使用寿命降低,甚至由于涡激共振的发生而造成损坏。因此,抑制钝体振荡尾流,消除涡激振动具有重要意义。本文通过对带行波壁圆柱的三维数值模拟结果的分析,对圆柱后部行波壁运动对圆柱振荡尾流的控制效果进行了研究。主要分析了行波壁控制方法对于圆柱绕流旋涡脱落的控制效果。另一方面通过模拟三维涡激振动可以到一组无控圆柱流致振动结果,然后引入行波壁运动,分析行波壁对涡激振动的控制效果。此外,文章还从三维流场、涡量流和拟涡能流等角度分析行波壁控制的机理。本文的具体研究内容如下:使用大涡模型(LES)模拟了无控三维圆柱绕流流场,为保证数值结果的可靠性,必须在现有的可靠数据的基础上对本模型计算结果进行充分的论证,同时对三维圆柱绕流场尾流旋涡的脱落形式进行了探讨,为下一步进行行波壁圆柱绕流控制计算和分析奠定了基础。通过UDF对Fluent进行二次开发,实现了三维行波壁运动,完成了对行波壁主要参数对抑制振荡尾流的研究,主要参数包括行波波幅、行波个数和行波波速,并分析了不同参数组合对结构表面气动力的影响,从而得到一组最优的行波运动参数组合。建立了单自由度圆柱绕流振动的数值模型,完成了无控圆柱与绕流场的流固耦合CFD数值模拟,并与前人实验结果进行对比。同时使用固定行波壁圆柱绕流场下的最优控制参数的组合继续研究行波壁对于圆柱绕流涡激振动的控制效果。分析行波壁对不同来流风速下结构振动的影响以及圆柱表面气动力和流场的变化。从三维行波壁圆柱绕流场出发,对于行波壁主动控制的机理进行进一步的分析,完成了从三维流动特征、轴向涡、轴向流速、涡量流和拟涡能流等方面揭示了行波壁主动控制的机理。
【图文】：

LeonardoDaVinci对钝体绕流的记录

图 1-2 标准圆柱绕流涡量等值线图在不断地探索过程中，我们发现圆柱流动分离开始的地方出现了负压，如图 1-2 所示，，这就为流动控制提供了一种思路，涡旋脱落和分离区负压有关[1,2]。随着研究的不断深入，发现结构与流场之间的相互作用是固体表面边界层的变化来实现的。进一步的研究发现，边界层的分离是
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O357.5

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本文编号：2599736