【摘要】：多鈍體流致振動是海洋工程、風(fēng)工程和航空航天工程中極為常見的現(xiàn)象。一方面,流致振動會對許多工程結(jié)構(gòu)物造成結(jié)構(gòu)性疲勞損害,產(chǎn)生嚴重的安全性問題;另一方面,流致振動蘊含著大量的能量,只要利用得當(dāng),它也有對人們有利的一面。近幾年有學(xué)者提出了流致振動清潔能源收集系統(tǒng),將海洋、河流和風(fēng)中鈍體流致振動機械能轉(zhuǎn)換為電能。為了提高流致振動能量轉(zhuǎn)換器的換能效率,需要探索激發(fā)流致振動并且提高鈍體振幅的途徑,進一步獲取加強鈍體流致振動的措施,例如具有附屬粗糙表面的圓柱。隨著流體相關(guān)工程的飛速發(fā)展,多鈍體流致振動問題受到了廣泛的關(guān)注,其中存在大量問題需要進行深入的研究。雙圓柱是最簡單的多鈍體形式之一,也是多鈍體流致振動研究的基礎(chǔ)。前人的研究多集中于固定支撐光滑雙圓柱,對于彈性支撐被動控制雙圓柱的研究相對較少�；诒粍涌刂齐p圓柱的流致振動在不同間距比條件下的振動響應(yīng)特性及其影響機制需要進一步深入研究。本文首先采用數(shù)值計算的方法對被動控制串列固定雙圓柱繞流特性展開詳細的研究,得到了雙圓柱尾流結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,分析了雙圓柱的升阻力響應(yīng)特性以及St數(shù)等,探討了來流速度對雙圓柱臨界間距比的影響。然后,進一步探究了不同錯列距離對被動控制彈性支撐雙圓柱流致振動的影響,揭示不同間隙距離下雙圓柱流致振動的響應(yīng)機制以及間隙流與雙圓柱振動之間的相互作用關(guān)系,主要得到以下結(jié)論。首先,針對被動控制固定雙圓柱繞流特性展開詳細研究。隨著順流方向上圓心間距d的增大,上游圓柱阻力均值始終為正值,說明上游圓柱始終受到指向下游的推力;d=2D時下游圓柱阻力均值為負,表明下游圓柱受到了指向上游圓柱的吸力。當(dāng)雙圓柱的升、阻力以及St數(shù)突增時,雙圓柱的間距為臨界間距d_c。不同雷諾數(shù)條件下,雙圓柱的臨界距離不同。Re=2000時,雙圓柱的臨界間距為d_c=3D;Re=6000~14000時,雙圓柱的臨界間距為d_c=2.5D。其次,進一步對橫流方向上圓心間距為T的被動控制雙圓柱流致振動特性進行研究。在所研究的全部工況下,可觀察到雙圓柱振動模式包括了周期振動(存在于較小折減速度)、雙周期振動(存在于中等折減速度、錯列距離較小工況)、多周期振動(存在于中等折減速度、錯列距離較大工況)和擬周期振動(存在于大折減速度)。除了振動模式為周期振動外,雙圓柱其余振動模式下的振動均出現(xiàn)了幅度大小不一的“拍”現(xiàn)象。改變錯列距離T時,上游圓柱均能在U*=6處取得振幅最大值,錯列距離T對上游圓柱的振幅的影響較小。存在一個臨界折減速度Uc*=7,當(dāng)折減速度大于此速度時,下游圓柱的振幅大上游圓柱振幅。最后,本文通過分析尾流結(jié)構(gòu)深入探究間隙流對雙圓柱繞流及流致振動的影響。對于串列固定雙圓柱繞流,Re=2000時,其尾流模態(tài)可觀察到單一細長結(jié)構(gòu)體流態(tài)、交替連結(jié)現(xiàn)象、不穩(wěn)定區(qū)域和雙旋渦模態(tài)。Re=6000~14000時未觀察到單一細長結(jié)構(gòu)流態(tài)。當(dāng)間距d小于臨界間距d_c時,從上游圓柱表面分離的剪切層直接包裹下游圓柱,無間隙流產(chǎn)生;當(dāng)間距d大于臨界間距d_c時,有間隙流產(chǎn)生,雙圓柱的渦脫被激勵,且隨著間距d增大,上游圓柱的尾流結(jié)構(gòu)趨向于單個圓柱的尾流結(jié)構(gòu),間隙流對下游圓柱的影響減弱。對于錯列雙圓柱流致振動,當(dāng)T0.6D,U*8時,間隙流成為影響兩個圓柱振動的主要因素,為間隙流主導(dǎo)區(qū)。間隙流回帖至下游圓柱表面,促使下游圓柱邊界層分離,增強下游圓柱振動。
【圖文】：

圖 1.1 串列圓柱在不同間距下的流態(tài)[20]Fig1.1 The flow regime of two tandem circular cylinders with different spacing[20].2 雙圓柱流致振動研究現(xiàn)狀圓柱是日常生活中最常見的鈍體。一直以來，圓柱因其具備表面無尖銳棱截面具有對稱性等特征，成為研究流致振動基礎(chǔ)的理想模型，所以大量值模擬和實驗也是基于圓柱進行的。前人對單圓柱的研究已經(jīng)很徹底了經(jīng)典的為 Feng[21]、Khalak 和 Williamson[22-25]進行的關(guān)于單圓柱流致振動Khalak 和 Williamson[22-25]根據(jù)實驗得到的振幅特性曲線結(jié)合 Feng[21]所得曲線，將振幅特性和折減速度（U*）的關(guān)系歸納總結(jié)成四個分支：初支振幅大），下支（振幅中等）和去同步化分支，如圖 1.2 所示。Williams實驗深入研究得出，對于質(zhì)量比相同的工況，圓柱在阻尼比較小時所得特性曲線的上支比較寬廣，此時有較大的振幅。因此質(zhì)量比及阻尼系數(shù)（m對圓柱流致振動特性產(chǎn)生重要的影響。除此之外，，他們對三個具有不同圓柱進行了流致振動實驗，發(fā)現(xiàn)在上支及下支這兩個區(qū)域，當(dāng)質(zhì)量比

圖 1.2 圓柱渦致振動振幅變化曲線[22]Fig1.2 The amplitude of a circular cylinder[22]基于單圓柱的研究成果，近年來已有許多學(xué)者對雙圓柱流致振動進行了研，最基礎(chǔ)的就是對串列和并列雙圓柱流致振動的研究。張大可等[28]采用的CIP-ZJU數(shù)值模型，在低雷諾數(shù)條件下針對串列雙圓柱渦致振動進行模串列情況下的下游圓柱的最大振幅要明顯大于單圓柱的情況，雙圓柱渦阻力系數(shù)普遍比單圓柱渦致振動時要��；上游圓柱固定時，下游圓柱的幾乎不由斯特努哈爾頻率控制；而當(dāng)上游圓柱可振動時，在折減速度 U*上游圓柱后方產(chǎn)生兩列旋渦，使下游圓柱的運動范圍限制在兩列旋渦之其自身的振動產(chǎn)生了抑制作用。Xu 等[29]利用熱線法得到兩個線性排布圓 St 數(shù)，根據(jù)不同的流動物理現(xiàn)象，將 St-Re 的關(guān)系分為 4 類：當(dāng) 1≤d/D<2圓柱的邊界層分離后在下游圓柱背流面卷起；2≤d/D≤3 時，存在剪切層下游圓柱回貼的過渡；3<d/D≤5 時，在臨界雷諾數(shù)時出現(xiàn)回貼向共同脫轉(zhuǎn)變；d/D>5 時，僅存在共同脫落的特性。Gao 等[30]利用 SIMPLE 算法估
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O357.5

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2706053