亚临界雷诺数下串联圆柱涡激振动的研究

作     者：袁亚帅 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周力

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080101[工学-一般力学与力学基础] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：涡激振动 串联双圆柱 间距比 锁定区间 k-湍流模型 

摘      要：涡激振动是一种广泛存在于工程领域的振动现象,由于其在海洋结构物、冷却塔、桥梁、热换器和输电线路方面等工程应用中的重要意义,近五十年来得到了广泛的研究。而近年来由于能源问题,利用涡激振动机理进行发电的研究具有重要的参考价值。本文主要通过实验及数值模拟的方法研究了亚临界雷诺数、低质量比下串联双圆柱的涡激振动。实验模型中,两个圆柱均为刚性圆柱,其中上游圆柱固定,下游圆柱弹性限制,且下游圆柱只在横流向发生振动。雷诺数范围为Re=5000～40000,两柱间距比S/D=3～10(S为圆心距,D为圆柱直径)。整个实验在循环水槽中进行,采用激光位移传感器测量下游圆柱的振幅,研究了不同间距比S/D下,下游圆柱的振幅比A/D(A为圆柱振动幅值,D为圆柱直径)、频率比f/f(f为圆柱振动频率,f为圆柱固有频率)随约化速度U的变化规律,分析了上游圆柱尾流对下游圆柱振动特性的影响。数值模型中,采用商业软件Starccm+进行二维数值模拟,其中单圆柱及串联双圆柱的所有约束条件、各项实验参数等均与实验过程中保持一致,旨在通过上、下游圆柱间的流场压力及涡量分布,从流场特性角度解释上游圆柱对下游圆柱的影响。结果表明:实验过程中,不同于单个圆柱的涡激振动VIV(Vortex-Induced Vibration)现象,串联双圆柱中下游圆柱的锁定范围明显变宽,特别是当S/D=3、4、5时,振幅响应表现出类似驰振的行为,即振幅随着约化速度的增加一直持续增大。数值结果中,得到了与实验数据相似的结果。在数值模拟中,对上、下游圆柱的升力系数曲线进行了监测和分析,并监测了流场的涡量图,以此来进一步解释下游圆柱类驰振响应出现的原因。此外,还模拟了在约化速度高达U=22下的工况,发现当S/D=5时,下游圆柱的类驰振响应逐渐开始消失,而在S/D=3、4时,下游圆柱的振幅,依旧随着约化速度U的增大而一直增大,类持振现象并没有消失。通过开展一系列的实验与数值模拟,明晰了串联双圆柱涡激振动的内在机理,并且本文所得结论对海流能发电装置VIVACE(Vortex-Induced Vibration Aquatic Clean Energy)的开发利用有一定的指导意义。