间隙流对被动控制双圆柱绕流特性及流致振动的影响

发布时间：2020-06-10 08:33

【摘要】：多钝体流致振动是海洋工程、风工程和航空航天工程中极为常见的现象。一方面,流致振动会对许多工程结构物造成结构性疲劳损害,产生严重的安全性问题;另一方面,流致振动蕴含着大量的能量,只要利用得当,它也有对人们有利的一面。近几年有学者提出了流致振动清洁能源收集系统,将海洋、河流和风中钝体流致振动机械能转换为电能。为了提高流致振动能量转换器的换能效率,需要探索激发流致振动并且提高钝体振幅的途径,进一步获取加强钝体流致振动的措施,例如具有附属粗糙表面的圆柱。随着流体相关工程的飞速发展,多钝体流致振动问题受到了广泛的关注,其中存在大量问题需要进行深入的研究。双圆柱是最简单的多钝体形式之一,也是多钝体流致振动研究的基础。前人的研究多集中于固定支撑光滑双圆柱,对于弹性支撑被动控制双圆柱的研究相对较少。基于被动控制双圆柱的流致振动在不同间距比条件下的振动响应特性及其影响机制需要进一步深入研究。本文首先采用数值计算的方法对被动控制串列固定双圆柱绕流特性展开详细的研究,得到了双圆柱尾流结构的变化规律,分析了双圆柱的升阻力响应特性以及St数等,探讨了来流速度对双圆柱临界间距比的影响。然后,进一步探究了不同错列距离对被动控制弹性支撑双圆柱流致振动的影响,揭示不同间隙距离下双圆柱流致振动的响应机制以及间隙流与双圆柱振动之间的相互作用关系,主要得到以下结论。首先,针对被动控制固定双圆柱绕流特性展开详细研究。随着顺流方向上圆心间距d的增大,上游圆柱阻力均值始终为正值,说明上游圆柱始终受到指向下游的推力;d=2D时下游圆柱阻力均值为负,表明下游圆柱受到了指向上游圆柱的吸力。当双圆柱的升、阻力以及St数突增时,双圆柱的间距为临界间距d_c。不同雷诺数条件下,双圆柱的临界距离不同。Re=2000时,双圆柱的临界间距为d_c=3D;Re=6000~14000时,双圆柱的临界间距为d_c=2.5D。其次,进一步对横流方向上圆心间距为T的被动控制双圆柱流致振动特性进行研究。在所研究的全部工况下,可观察到双圆柱振动模式包括了周期振动(存在于较小折减速度)、双周期振动(存在于中等折减速度、错列距离较小工况)、多周期振动(存在于中等折减速度、错列距离较大工况)和拟周期振动(存在于大折减速度)。除了振动模式为周期振动外,双圆柱其余振动模式下的振动均出现了幅度大小不一的“拍”现象。改变错列距离T时,上游圆柱均能在U*=6处取得振幅最大值,错列距离T对上游圆柱的振幅的影响较小。存在一个临界折减速度Uc*=7,当折减速度大于此速度时,下游圆柱的振幅大上游圆柱振幅。最后,本文通过分析尾流结构深入探究间隙流对双圆柱绕流及流致振动的影响。对于串列固定双圆柱绕流,Re=2000时,其尾流模态可观察到单一细长结构体流态、交替连结现象、不稳定区域和双旋涡模态。Re=6000~14000时未观察到单一细长结构流态。当间距d小于临界间距d_c时,从上游圆柱表面分离的剪切层直接包裹下游圆柱,无间隙流产生;当间距d大于临界间距d_c时,有间隙流产生,双圆柱的涡脱被激励,且随着间距d增大,上游圆柱的尾流结构趋向于单个圆柱的尾流结构,间隙流对下游圆柱的影响减弱。对于错列双圆柱流致振动,当T0.6D,U*8时,间隙流成为影响两个圆柱振动的主要因素,为间隙流主导区。间隙流回帖至下游圆柱表面,促使下游圆柱边界层分离,增强下游圆柱振动。
【图文】：

串列圆柱,流态,流致振动,圆柱

图 1.1 串列圆柱在不同间距下的流态[20]Fig1.1 The flow regime of two tandem circular cylinders with different spacing[20].2 双圆柱流致振动研究现状圆柱是日常生活中最常见的钝体。一直以来，圆柱因其具备表面无尖锐棱截面具有对称性等特征，成为研究流致振动基础的理想模型，所以大量值模拟和实验也是基于圆柱进行的。前人对单圆柱的研究已经很彻底了经典的为 Feng[21]、Khalak 和 Williamson[22-25]进行的关于单圆柱流致振动Khalak 和 Williamson[22-25]根据实验得到的振幅特性曲线结合 Feng[21]所得曲线，将振幅特性和折减速度（U*）的关系归纳总结成四个分支：初支振幅大），下支（振幅中等）和去同步化分支，如图 1.2 所示。Williams实验深入研究得出，对于质量比相同的工况，圆柱在阻尼比较小时所得特性曲线的上支比较宽广，此时有较大的振幅。因此质量比及阻尼系数（m对圆柱流致振动特性产生重要的影响。除此之外，，他们对三个具有不同圆柱进行了流致振动实验，发现在上支及下支这两个区域，当质量比

变化曲线,振动振幅,圆柱,变化曲线

图 1.2 圆柱涡致振动振幅变化曲线[22]Fig1.2 The amplitude of a circular cylinder[22]基于单圆柱的研究成果，近年来已有许多学者对双圆柱流致振动进行了研，最基础的就是对串列和并列双圆柱流致振动的研究。张大可等[28]采用的CIP-ZJU数值模型，在低雷诺数条件下针对串列双圆柱涡致振动进行模串列情况下的下游圆柱的最大振幅要明显大于单圆柱的情况，双圆柱涡阻力系数普遍比单圆柱涡致振动时要小；上游圆柱固定时，下游圆柱的几乎不由斯特努哈尔频率控制；而当上游圆柱可振动时，在折减速度 U*上游圆柱后方产生两列旋涡，使下游圆柱的运动范围限制在两列旋涡之其自身的振动产生了抑制作用。Xu 等[29]利用热线法得到两个线性排布圆 St 数，根据不同的流动物理现象，将 St-Re 的关系分为 4 类：当 1≤d/D<2圆柱的边界层分离后在下游圆柱背流面卷起；2≤d/D≤3 时，存在剪切层下游圆柱回贴的过渡；3<d/D≤5 时，在临界雷诺数时出现回贴向共同脱转变；d/D>5 时，仅存在共同脱落的特性。Gao 等[30]利用 SIMPLE 算法估
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O357.5

【参考文献】