单双圆柱涡激振动数值模拟研究
发布时间：2021-09-07 14:47
基于CFD方法,对质量比为7的单圆柱和并列双圆柱的涡激振动进行数值模拟研究,对单圆柱涡激振动的研究表明:其锁定区为4.8<UR<7.6,在锁定区内旋涡发放频率被结构的固有频率锁定,位移与升力的相位差为零,圆柱的无量纲振幅急剧增大。在锁定区边缘,由于涡脱频率不能完全被结构的固有频率锁定,出现"拍振"现象。对并列双圆柱涡激振动的研究表明:流场充分发展达到稳定的时间随间距比的增大而增加,在3.0≤T*≤4.0时,两圆柱的振动反相同步,在4.0<T*≤5.0时,两圆柱的振动不同步,T*≈4为两圆柱振动是否同步的临界间距比。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(13)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
计算模型Fig.1Calculationalmodel
突浦?勇等的数值计算结果均没有表现出上端分支（upperbranch），这与Jauvtis和Williamson的实验结果存在一定的差异。造成这种结果的重要原因是：当振动处于上端分支时，振幅响应较大，轴向相关性大大降低，而数值模拟方法采用二维圆柱模型，计算在平面内进行，假定在轴向上变化具有一致性，影响了上端分支的形成。然而，除上端分支之外，本文得到的振幅与黄志勇等的数值模拟结果以及Jauvtis和Williamson的实验结果相比，是比较接近的。说明本文的数值模拟方法对弹性支撑圆柱模型可靠有效。图2本文振幅响应与已在成果的比较Fig.2Comparisonoftheamplitudeofpresentstudyandpreviousresults在非锁定区时，圆柱的振幅很小，进入锁定区后，振幅显著增大。在锁定区内，无量纲振幅Ay*保持0.40以上的较大值，当UR=5时，圆柱有最大响应振幅0.534。如图3所示，当振动处于非锁定区时，频率比与约化速度呈线性关系，满足关系式fv/fn=St·UR=0.161UR，其中与旋涡脱落相关的St被认为主要由雷诺数和表面粗糙度决定[19–20]，不随约化速度发生很大改变，是一个相对稳定的值。当振动处于锁定区时，频率比基本不随约化速度发生改变，满足关系式fv/fn=1。这是因为当原有的涡脱频率接近圆柱的固有频率时，涡脱频率会被固有频率锁定。通过分析涡脱频率是否被固有频率锁定，可以判断出涡激振动的锁定区约为4.8<UR<7.6。当UR<6.6时，位移与升力系数时程曲线同相，升力对振动起促进作用。尤其是在4.8<UR≤6.6的锁定区内，涡脱频率被圆柱固有频率锁定，升力对位移的促进作用显著，造成振幅具有较大增长（见图4）。在6.
R≤6.6的锁定区内，涡脱频率被圆柱固有频率锁定，升力对位移的促进作用显著，造成振幅具有较大增长（见图4）。在6.6<UR≤7.6时，位移与升力的相位关系由同相逐渐过渡到反相。当UR>7.6时，升力与位移反向，对振动起抑制作用，振动离开锁定区，振幅急剧降低。图3相位差和频率比随约化速度的变化（主y轴上，Δφ表示位移与升力的相位差。副y轴上，fv/fn表示涡脱频率与圆柱固有频率之比）Fig.3Phasedifferenceandfrequencyratioasfunctionsofthereducedvelocity图4阻力和升力系数随约化速度的变化Fig.4DragcoefficientandliftcoefficientwithdifferentreducedvelocityCD,AMCL,AMCD当振动处于非锁定区时，阻力和升力系数较小，与固定圆柱绕流的结果比较接近见（表1）。在锁定区下界，升力、阻力系数发生突变，在UR=4.8时达到最大阻力系数幅值=0.85，最大升力系数幅值=1.8，UR=5.0时达到最大升力系数均值=2.39，远大于非锁定区的阻力和升力系数，反映出振动处于锁定区时流体和结构的强烈相互作用。在锁定区内，阻力幅值和均值都随约化速度UR上升而逐渐减校当4.8<UR<6.6时，升力系数随约化速度的增长而减小，由于涡脱频率被圆柱固有频率锁定，振幅仍能保持较大值，但是升力系数对振动的促进作用越来越弱，振幅逐渐减校当6.6<UR<7.6时，升力系数幅值接近于0，随约化速度增长有小幅回升。如图5所示，在锁定区上边界附近UR=7.8时，升力系数和位移的时程曲线不再是振幅稳定的正弦线，其振幅会随着时间发生变化，这种现象称为“拍振”。对位移曲线做FFT，频谱图上存在2个靠近的
【参考文献】：
期刊论文
[1]层流条件下并列三圆柱涡激振动响应与尾流形态[J]. 徐晓黎,及春宁,张力,陈威霖. 计算力学学报. 2018(05)
[2]并列双圆柱涡激振动的经验性模型研究[J]. 秦伟,康庄,孙丽萍,宋儒鑫. 海洋工程. 2013(02)
[3]海洋并列立管涡激振动参数分析[J]. 盛磊祥,陈国明. 石油矿场机械. 2011(03)
[4]两向自由度低质量比圆柱体涡激振动的数值计算[J]. 黄智勇,潘志远,崔维成. 船舶力学. 2007(01)
[5]双圆柱绕流诱发振动的数值模拟（Part I横向振动）[J]. 陈文曲,任安禄,邓见. 空气动力学学报. 2005(04)
[6]细长海洋结构物涡激振动研究综述(英文)[J]. 潘志远,崔维成,张效慈. 船舶力学. 2005(06)
[7]均匀流场串列圆柱涡激振动特性的实验研究[J]. 姚熊亮,陈起富,徐文景. 振动工程学报. 1994(01)
硕士论文
[1]低雷诺数下并列圆柱涡激振动的数值模拟及其机理研究[D]. 刘爽.天津大学 2014
[2]圆柱绕流及其控制的数值模拟研究[D]. 何鸿涛.北京交通大学 2009
本文编号：3389736
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(13)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
计算模型Fig.1Calculationalmodel
突浦?勇等的数值计算结果均没有表现出上端分支（upperbranch），这与Jauvtis和Williamson的实验结果存在一定的差异。造成这种结果的重要原因是：当振动处于上端分支时，振幅响应较大，轴向相关性大大降低，而数值模拟方法采用二维圆柱模型，计算在平面内进行，假定在轴向上变化具有一致性，影响了上端分支的形成。然而，除上端分支之外，本文得到的振幅与黄志勇等的数值模拟结果以及Jauvtis和Williamson的实验结果相比，是比较接近的。说明本文的数值模拟方法对弹性支撑圆柱模型可靠有效。图2本文振幅响应与已在成果的比较Fig.2Comparisonoftheamplitudeofpresentstudyandpreviousresults在非锁定区时，圆柱的振幅很小，进入锁定区后，振幅显著增大。在锁定区内，无量纲振幅Ay*保持0.40以上的较大值，当UR=5时，圆柱有最大响应振幅0.534。如图3所示，当振动处于非锁定区时，频率比与约化速度呈线性关系，满足关系式fv/fn=St·UR=0.161UR，其中与旋涡脱落相关的St被认为主要由雷诺数和表面粗糙度决定[19–20]，不随约化速度发生很大改变，是一个相对稳定的值。当振动处于锁定区时，频率比基本不随约化速度发生改变，满足关系式fv/fn=1。这是因为当原有的涡脱频率接近圆柱的固有频率时，涡脱频率会被固有频率锁定。通过分析涡脱频率是否被固有频率锁定，可以判断出涡激振动的锁定区约为4.8<UR<7.6。当UR<6.6时，位移与升力系数时程曲线同相，升力对振动起促进作用。尤其是在4.8<UR≤6.6的锁定区内，涡脱频率被圆柱固有频率锁定，升力对位移的促进作用显著，造成振幅具有较大增长（见图4）。在6.
R≤6.6的锁定区内，涡脱频率被圆柱固有频率锁定，升力对位移的促进作用显著，造成振幅具有较大增长（见图4）。在6.6<UR≤7.6时，位移与升力的相位关系由同相逐渐过渡到反相。当UR>7.6时，升力与位移反向，对振动起抑制作用，振动离开锁定区，振幅急剧降低。图3相位差和频率比随约化速度的变化（主y轴上，Δφ表示位移与升力的相位差。副y轴上，fv/fn表示涡脱频率与圆柱固有频率之比）Fig.3Phasedifferenceandfrequencyratioasfunctionsofthereducedvelocity图4阻力和升力系数随约化速度的变化Fig.4DragcoefficientandliftcoefficientwithdifferentreducedvelocityCD,AMCL,AMCD当振动处于非锁定区时，阻力和升力系数较小，与固定圆柱绕流的结果比较接近见（表1）。在锁定区下界，升力、阻力系数发生突变，在UR=4.8时达到最大阻力系数幅值=0.85，最大升力系数幅值=1.8，UR=5.0时达到最大升力系数均值=2.39，远大于非锁定区的阻力和升力系数，反映出振动处于锁定区时流体和结构的强烈相互作用。在锁定区内，阻力幅值和均值都随约化速度UR上升而逐渐减校当4.8<UR<6.6时，升力系数随约化速度的增长而减小，由于涡脱频率被圆柱固有频率锁定，振幅仍能保持较大值，但是升力系数对振动的促进作用越来越弱，振幅逐渐减校当6.6<UR<7.6时，升力系数幅值接近于0，随约化速度增长有小幅回升。如图5所示，在锁定区上边界附近UR=7.8时，升力系数和位移的时程曲线不再是振幅稳定的正弦线，其振幅会随着时间发生变化，这种现象称为“拍振”。对位移曲线做FFT，频谱图上存在2个靠近的
【参考文献】：
期刊论文
[1]层流条件下并列三圆柱涡激振动响应与尾流形态[J]. 徐晓黎,及春宁,张力,陈威霖. 计算力学学报. 2018(05)
[2]并列双圆柱涡激振动的经验性模型研究[J]. 秦伟,康庄,孙丽萍,宋儒鑫. 海洋工程. 2013(02)
[3]海洋并列立管涡激振动参数分析[J]. 盛磊祥,陈国明. 石油矿场机械. 2011(03)
[4]两向自由度低质量比圆柱体涡激振动的数值计算[J]. 黄智勇,潘志远,崔维成. 船舶力学. 2007(01)
[5]双圆柱绕流诱发振动的数值模拟（Part I横向振动）[J]. 陈文曲,任安禄,邓见. 空气动力学学报. 2005(04)
[6]细长海洋结构物涡激振动研究综述(英文)[J]. 潘志远,崔维成,张效慈. 船舶力学. 2005(06)
[7]均匀流场串列圆柱涡激振动特性的实验研究[J]. 姚熊亮,陈起富,徐文景. 振动工程学报. 1994(01)
硕士论文
[1]低雷诺数下并列圆柱涡激振动的数值模拟及其机理研究[D]. 刘爽.天津大学 2014
[2]圆柱绕流及其控制的数值模拟研究[D]. 何鸿涛.北京交通大学 2009
本文编号：3389736
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