渦激振動(dòng)既能夠引起結(jié)構(gòu)部件的疲勞破壞又能夠通過(guò)振動(dòng)能量收集裝置為人類提供新型清潔能源。因此,無(wú)論是從抑制振動(dòng)角度或高效利用振動(dòng)能量角度,渦激振動(dòng)機(jī)理一直是流固耦合基礎(chǔ)研究與海洋工程應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于流體與結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性,渦激振動(dòng)機(jī)理研究尚未成熟。本文旨在建立一套簡(jiǎn)便的求解流固耦合問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法,通過(guò)典型算例驗(yàn)證方法的可行性與準(zhǔn)確性,并應(yīng)用該數(shù)值方法研究橢圓柱這種非典型柱體結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)機(jī)理,著重分析來(lái)流條件、幾何尺寸和布置間距對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律和內(nèi)在物理機(jī)制。首先,建立了基于多松弛模型的格子Boltzmann通量求解法�；诤暧^方程和介觀模型的耦合思想,采用多尺度Chapman-Enskog數(shù)學(xué)手段,給出了狀態(tài)變量和通量用格子模型分布函數(shù)表達(dá)的關(guān)系式,實(shí)現(xiàn)無(wú)粘與粘性項(xiàng)的統(tǒng)一求解,有效避免了宏觀方法中高階通量的求解。采用不同雷諾數(shù)下的方腔驅(qū)動(dòng)流的典型算例驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性和有效性。其次,有效結(jié)合強(qiáng)制邊界-浸入邊界法與格子Boltzmann通量求解法,建立非貼合邊界的流固耦合算法。格子模型與浸入邊界法的引入使該流固耦合數(shù)值計(jì)算可以在笛卡爾網(wǎng)格下進(jìn)行,無(wú)需生成貼體網(wǎng)格及運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),簡(jiǎn)化了動(dòng)邊界物理問(wèn)題的計(jì)算過(guò)程。通過(guò)數(shù)值模擬圓柱和翼型靜止繞流、主動(dòng)旋轉(zhuǎn)繞流以及橫向單自由度渦激振動(dòng)問(wèn)題,逐步驗(yàn)證了數(shù)值方法在求解靜止邊界和動(dòng)邊界問(wèn)題的有效性和可行性,為后續(xù)研究橢圓柱結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)問(wèn)題提供了有效簡(jiǎn)便的計(jì)算方法。接著,應(yīng)用浸入邊界-格子Boltzmann通量求解法開展了低雷諾數(shù)條件下橢圓柱靜止繞流的數(shù)值研究。對(duì)于單橢圓柱(0.7?A_R?1.5)的數(shù)值結(jié)果表明:作用力系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)隨A_R的增加而減小,尾流均呈現(xiàn)周期性脫落渦結(jié)構(gòu)。對(duì)于串列雙橢圓柱(0.7?A_R?1.5且2?L/D?11)數(shù)值結(jié)果表明:臨界間距隨A_R的增加而增加;上游柱體作用力系數(shù)的變化規(guī)律與單柱體相同,隨A_R的增加而減小;未達(dá)到臨界間距時(shí),下游作用力符合該規(guī)律,達(dá)到臨界間距后與單柱體的規(guī)律相反;串列系統(tǒng)的流動(dòng)形態(tài)分為單鈍體模式,交替再附模式和尾渦雙脫落模式。隨后,應(yīng)用浸入邊界-格子Boltzmann通量求解法開展了0.7?A_R?1.5的單橢圓柱雙自由度渦激振動(dòng)的數(shù)值研究。結(jié)果表明A_R對(duì)振動(dòng)響應(yīng)分區(qū)的起止點(diǎn)和響應(yīng)幅值有顯著的影響:A_R的增加推遲了柱體駛?cè)腈i定區(qū)間,鎖定區(qū)域的大小隨著A_R的增加呈現(xiàn)先增大后縮小的趨勢(shì),在A_R=1附近最大;振動(dòng)主頻為升力系數(shù)的主頻,共振發(fā)生在橫向方向,運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)“8”字形;低雷諾數(shù)范圍內(nèi)橫向振幅均為軸向振幅的10~2量級(jí)的倍數(shù)關(guān)系;根據(jù)橫向最大振幅隨折合速度的演化規(guī)律,將振動(dòng)響應(yīng)詳細(xì)劃分6個(gè)區(qū)域,即非同步區(qū)間I、準(zhǔn)周期初始分支、周期初始分支、周期下端分支、準(zhǔn)周期下端分支和非同步區(qū)間II;橫向最大幅值與A_R呈線性遞減關(guān)系。最后,應(yīng)用浸入邊界-格子Boltzmann通量求解法研究串列雙橢圓柱雙自由度流致振動(dòng)問(wèn)題。結(jié)果表明:與靜止繞流相比,流致振動(dòng)現(xiàn)象加速了串列系統(tǒng)柱體剪切層卷起形成尾跡脫落渦的過(guò)程。隨著間距比的增加,上游柱體的振動(dòng)響應(yīng)與尾流模式發(fā)展規(guī)律越來(lái)越接近相同A_R的單橢圓柱。下游柱體由于受到上游尾跡的影響,存在剪切層附著、脫落渦交替附著或有效屏蔽來(lái)流的作用,因此尾流模式與單柱體有所區(qū)別:當(dāng)上游尾跡形成的脫落渦從下游柱體一側(cè)流過(guò)時(shí),下游柱體振動(dòng)響應(yīng)較小;當(dāng)脫落渦交替附著在下游柱體表面時(shí),增強(qiáng)了下游柱體的振動(dòng);在較大間距比和A_R時(shí),下游柱體的振動(dòng)響應(yīng)更為強(qiáng)烈。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O353.4
【部分圖文】：

a) VIVACE 電力轉(zhuǎn)換設(shè)備a) VIVACE Converter Power Plantb) VIVACE 裝置組件示意圖b) Simple Schematic of a VIVACE Mo圖 1-1 VIVACE 裝置示意圖[16]Fig. 1-1 Schematic of VIVACE[16]

圖 1-2 VIVACE 裝置與其他海流裝置能量密度比較[18]. 1-2 The comparison of the power density of VIVACE and other current converto

無(wú)扇葉風(fēng)機(jī)裝置示意圖

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2822766