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基于IBM法的低雷诺数下涡激振动高质量比效应的研究

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工程力学 2022年第3期39卷 222-232页

作者：郭涛张纹惠王文全罗竹梅昆明理工大学建筑工程学院工程力学系昆明650500 中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司昆明650000 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065 昆明理工大学能源与动力工程系昆明650093

由深圳市赛格广场大厦在低速风场作用下的强烈有感振动事件可知,高质量比系统的振动问题仍较突出。为澄清涡激振动中的高质量比效应,该文采用一种锐利界面浸入边界法,通过C++编程计算了低雷诺数(Re=80~150)流场中,不同高质量比(m*=14.8~... 详细信息

由深圳市赛格广场大厦在低速风场作用下的强烈有感振动事件可知,高质量比系统的振动问题仍较突出。为澄清涡激振动中的高质量比效应,该文采用一种锐利界面浸入边界法,通过C++编程计算了低雷诺数(Re=80~150)流场中,不同高质量比(m*=14.8~280)、阻尼比(ζ=0.0012~0.036)和质量-阻尼比组合m*ζ对涡激振动的影响。结果表明:通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和有效性;在高质量比情况下,Re锁定"现象,Re=100~130时,发生传统的"锁定"现象,且发生共振时Re=110,位于锁定区间靠近Re数较小的一侧,当Re=130时,开始摆脱锁定,且升力与振动响应出现"相位突变"现象;m*、ζ对锁定区间的影响并不大,但是质量-阻尼比组合m*ζ相同时,质量比对涡激振动的影响更加显著,即质量比低的结构系统发生涡激振动时的锁定区间更广(Re=90~140),m*=14.8的高质量比系统比m*=148的较高质量比系统提高了1.67倍,而且共振时对应的雷诺数也减小;发生共振时,尾涡脱落均为"2S"模态,最大振幅均为0.5D左右,无太大变化,即高质量比和较高质量比对振幅和锁定区间的影响并不大,但是随着ζ的增加,振幅比Y逐渐减小,振动受到了抑制。

关键词：锐利界面法浸入边界法高质量比涡激振动圆柱绕流锁定区间

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振荡流中圆柱体横流涡激振动特性数值分析

哈尔滨工程大学学报 2021年第1期42卷 96-104页

作者：王坤鹏迟庆海张一兆江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003

为了探究振荡流效应对涡激振动的影响,本文对振荡流中圆柱体的横流涡激振动进行了数值模拟。对数值模型进行了验证分析,对KC数为25和502种振荡流下的涡激振动进行模拟,得到了圆柱体流体力、位移和涡量云图。结果表明:振荡流能激发圆柱... 详细信息

为了探究振荡流效应对涡激振动的影响,本文对振荡流中圆柱体的横流涡激振动进行了数值模拟。对数值模型进行了验证分析,对KC数为25和502种振荡流下的涡激振动进行模拟,得到了圆柱体流体力、位移和涡量云图。结果表明:振荡流能激发圆柱体的多模态振动,且KC数越大多模态特性越明显;在锁定区间主导模态的幅值明显高于其他模态;锁定区间随着KC数的增大有变宽趋势;流向改变前脱落的漩涡再次经过圆柱体时会增加圆柱体的受力。

关键词：数值模拟圆柱体振荡流 KC数涡激振动主导模态流体力锁定区间

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双自由度子母管线涡激振动数值研究

哈尔滨工程大学学报 2021年第5期42卷 729-737页

作者：蒋昌波徐进屈科长沙理工大学水利工程学院湖南长沙410114 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室湖南长沙410114 洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室湖南长沙410114

为了研究双自由度子母管线周围的绕流特征,本文采用高精度浸没边界方法模拟了不同布置条件下双自由度子母管线的涡激振动特性,探讨子母管线质量比、间距比、空隙比和角度对子母管线低雷诺数振动特性及水动力的影响。结果表明:随着子母... 详细信息

为了研究双自由度子母管线周围的绕流特征,本文采用高精度浸没边界方法模拟了不同布置条件下双自由度子母管线的涡激振动特性,探讨子母管线质量比、间距比、空隙比和角度对子母管线低雷诺数振动特性及水动力的影响。结果表明:随着子母管线的质量比和间距比的增大,管线涡激振动的最大振幅逐渐减小,发生锁定的区间也变窄。不同角度对子母管线涡激振动的抑制作用不同,子管与母管并列时对子母管线涡激振动的抑制作用更强。另外通过对流向和横向耦合振动的分析可发现,低质量比时流向振动对横向振动的振幅和频率影响较大,而高质量比时这种影响相对较小。

关键词：浸没边界方法子母管线双自由度涡激振动流固耦合锁定区间雷诺数数值模拟

表面粗糙度对近壁圆柱体涡激振动响应影响的数值研究

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振动与冲击 2021年第20期40卷 108-116,134页

作者：熊友明张壮壮高云彭庚刘黎明杨斌西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室成都610500 哈尔滨工业大学(威海)海洋工程学院山东威海264209 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 中国石油西南油气田工程技术研究院成都610031

使用数值模拟方法,研究了表面粗糙度对近壁圆柱体涡激振动响应的影响,对不同粗糙度下近壁圆柱体的振动幅值、振动频率、锁定区间、升力系数、拖曳力系数、斯脱哈尔数以及振动轨迹等参数进行了对比分析。分析结果显示:基于近壁圆柱体振... 详细信息

使用数值模拟方法,研究了表面粗糙度对近壁圆柱体涡激振动响应的影响,对不同粗糙度下近壁圆柱体的振动幅值、振动频率、锁定区间、升力系数、拖曳力系数、斯脱哈尔数以及振动轨迹等参数进行了对比分析。分析结果显示:基于近壁圆柱体振动幅值以及振动频率变化趋势,可以将整个折合速度区间依次划分为三个区间:初始分支、锁定区间以及解锁区间。随着粗糙度的上升,近壁圆柱体横向振幅最大值呈上升趋势,锁定区间宽度逐渐变窄,拖曳力系数均值呈下降趋势。锁定区间里,较大的横向振幅使得壁面效应大幅增加,进一步导致升力系数均值明显大于0。

关键词：涡激振动表面粗糙度近壁圆柱体流体力系数锁定区间

表面粗糙度对圆柱体涡激振动响应特性影响数值研究

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振动与冲击 2018年第9期37卷 37-43页

作者：高云杨家栋邹丽宗智西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室成都610500 东京大学机械工程学院大连理工大学船舶工程学院大连116024

使用数值模拟方法,研究了粗糙度对圆柱体涡激振动响应特性的影响,对不同粗糙度下圆柱体的涡激振动响应幅值、漩涡泄放频率、结构振动频率、锁定区间等参数进行了对比分析。分析结果表明:依据涡激振动响应幅值以及响应频率,可以将整个折... 详细信息

使用数值模拟方法,研究了粗糙度对圆柱体涡激振动响应特性的影响,对不同粗糙度下圆柱体的涡激振动响应幅值、漩涡泄放频率、结构振动频率、锁定区间等参数进行了对比分析。分析结果表明:依据涡激振动响应幅值以及响应频率,可以将整个折合速度区间划分为4个区间:区间I、区间II、区间III以及区间IV。随着粗糙度的上升,圆柱体涡激振动响应最大值呈下降趋势。随着粗糙度的上升,锁定区域开始点呈缓慢提前的趋势,而锁定区域结束点则呈快速提前的趋势,因此整个锁定区域宽度会随着粗糙度的上升而逐渐变窄。

关键词：表面粗糙度圆柱体涡激振动锁定区间

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亚临界雷诺数下串联圆柱涡激振动的研究

亚临界雷诺数下串联圆柱涡激振动的研究

作者：袁亚帅大连理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：涡激振动串联双圆柱间距比锁定区间 k-湍流模型

基于有限差分法刚性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

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计算物理 2019年第1期36卷 53-59页

作者：高云邹丽宗智西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川成都610500 东京大学机械工程学院东京大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024 高技术船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

基于尾流振子模型对刚性圆柱体涡激振动响应特性进行数值研究.建立圆柱体结构振子及尾流振子之间的耦合方程,基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解.对不同质量比及不同阻尼比圆柱体涡激振动响应的无量纲位移、无量... 详细信息

基于尾流振子模型对刚性圆柱体涡激振动响应特性进行数值研究.建立圆柱体结构振子及尾流振子之间的耦合方程,基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解.对不同质量比及不同阻尼比圆柱体涡激振动响应的无量纲位移、无量纲升力、频率比及锁定区间等参数进行分析.结果表明数值方法可以很好地模拟刚性圆柱体的涡激振动响应特性.随着质量比的增加,锁定开始点逐渐延后,锁定结束点逐渐提前,锁定区间宽度逐渐变窄.

关键词：涡激振动尾流振子模型锁定区间有限差分法

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不同截面形状下柱体受迫振动的数值模拟

不同截面形状下柱体受迫振动的数值模拟

作者：刘鑫华北电力大学

学位级别：硕士

涡激振动是流体力学中的经典课题,普遍存在于工程实际和日常生活中,并日益成为学者们的研究焦点。涡激振动是一种特殊的柱体绕流形式,它会造成柱体疲劳性损坏,进一步影响到结构体的安全性和稳定性。在工程实践中,涡激振动的现象普遍存在... 详细信息

涡激振动是流体力学中的经典课题,普遍存在于工程实际和日常生活中,并日益成为学者们的研究焦点。涡激振动是一种特殊的柱体绕流形式,它会造成柱体疲劳性损坏,进一步影响到结构体的安全性和稳定性。在工程实践中,涡激振动的现象普遍存在,特别是在海洋工程以及风工程领域,对涡激振动的研究是十分必要且重要的。涡激振动的研究方式可分为自激振动和受迫振动,本文利用计算流体力学的方法,对雷诺数Re=200下的不同截面形状柱体进行受迫振动模拟计算。本文的流场计算采用有限体积法,通过对二维不可压缩粘性流体的N-S方程求解以获得流场数据。通过用户自定义函数(UDF)中的DEFINE＿CG＿MOTION宏对柱体的周期性振动进行编程,对流场计算域进行区域划分以便利用动网格技术中的动态层法实现柱体的受迫振动,从而实现对运动柱体的流场模拟。本文首先对圆柱的绕流和受迫振动进行模拟,以验证本文模拟方法和自编程序的正确性。随后对方柱和六边形柱在均匀来流下的横向受迫振动进行了模拟,选取无量纲振幅比A*=0.2、0.4下的不同频率比工况进行研究,对柱体的升阻力系数、升力系数FFT频谱图及旋涡脱落模式进行了分析,并捕捉到了差拍振动和锁定等现象。结果表明:方柱的受迫振动与圆柱虽有相似之处但整体差别较大,方柱振动时流场剧烈,升阻力系数数值较大。圆柱和六边形柱的锁定区间均随着振幅比的增加有所增大,方柱却基本保持不变且锁定区间更偏向于频率比大于1处,与圆柱和六边形柱相反。低振幅比下方柱的旋涡脱落模式与圆柱相比除了经典2S模态外还存在P+S模态。柱体形状越接近圆柱,其振动稳定性越好。为减弱方柱尖锐棱边对振动的影响,通过把方柱的尖角变为圆角进而对其进行被动控制,首先选取r/D=1/4,1/5和1/8三种不同的圆角参数进行绕流计算,结果表明圆角增大升阻力系数随之减小。并对这三种参数的圆角方柱进行受迫振动模拟计算,与尖角方柱相比升阻力系数数值有了明显的减小,锁定区间范围基本关于F=1对称,锁定区间的变化趋势与圆柱类似。低振幅比下圆角方柱的旋涡脱落模式均为2S模态,旋涡尾迹变窄。对方柱进行圆角化后,可显著提高流动的稳定性。

关键词：柱体绕流受迫振动动网格数值模拟锁定区间

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基于浸入边界法的钝体绕流诱发结构振动研究

基于浸入边界法的钝体绕流诱发结构振动研究

作者：张纹惠昆明理工大学

学位级别：硕士

在流固耦合问题的模拟过程中,常规的贴体动网格虽然计算精度比较高,但是计算效率比较低。浸入边界法是一种基于笛卡尔网格坐标进行计算的流固耦合新方法。这种方法将整个计算区域作为纯流体区域,将固体离散为若干个拉格朗日网格点,通过... 详细信息

在流固耦合问题的模拟过程中,常规的贴体动网格虽然计算精度比较高,但是计算效率比较低。浸入边界法是一种基于笛卡尔网格坐标进行计算的流固耦合新方法。这种方法将整个计算区域作为纯流体区域,将固体离散为若干个拉格朗日网格点,通过固体点上的力对流场的作用来反馈固体对流场的影响。由于浸入边界法的整个计算过程网格不会发生改变,避免了贴体动网格方法随着时间不断更新网格的过程,节省了计算时间,在近几年流固耦合研究中都很受研究者们的青睐。随着新能源海洋能流的引入,从结构涡激振动中获取海洋能流的方法进入大众视野。在涡激振动过程中,质量比、阻尼比、雷诺数等参数都会对其振幅、升阻力造成一定的影响,因此,本文将基于虚拟力浸入边界法对影响涡激振动过程的参数进行研究。具体内容如下:(1)利用虚拟力浸入边界法对二维固定圆柱绕流问题进行数值计算,将本文的计算结果与文献中的计算结果进行了对比,发现本文结果误差很小,更接近于实验结果,验证了程序的准确性。(2)对圆柱的单自由度涡激振动进行模拟,得到了不同雷诺数下的横向振幅、升阻力系数、漩涡脱落规律等,发现了“锁定区间”以及“相位突变”的现象。(3)通过改变质量比、阻尼比,研究其对涡激振动过程的影响。发现质量比对横向振幅、锁定区间影响不大,阻尼比对横向振幅有影响,但对锁定区间没有影响,而质量阻尼比相同时,质量比的高低对横向振幅并无大影响但是对锁定区间的范围影响较大。(4)基于虚拟力浸入边界法对椭圆柱绕流过程中长短轴之比参数对流场、结构尾部漩涡脱落特征的影响做了进一步的对比研究。结果表明,随着长短轴之比的增加,升阻力系数都有所增大,而涡脱频率却有所减小。(5)通过改变椭圆柱的攻角来研究不同来流情况对椭圆柱绕流结果带来的不同。结果表明攻角的变化会对升阻力、涡脱频率以及尾部漩涡的脱落规律和形态等都会产生不同的影响。

关键词：浸入边界法涡激振动圆柱绕流椭圆柱绕流锁定区间