為了模擬大變形柔性體與黏性流體耦合運(yùn)動的動力學(xué)行為,該文發(fā)展了一套基于浸入邊界-譜元法的數(shù)值模擬方法。該數(shù)值方法中,流體運(yùn)動在歐拉坐標(biāo)下采用譜元法模擬,柔性體運(yùn)動在拉格朗日坐標(biāo)系采用有限差分法求解,兩者的耦合通過浸入邊界法實(shí)現(xiàn)。首先對低雷諾數(shù)方柱繞流后柔性懸臂梁流固耦合振動問題進(jìn)行數(shù)值模擬,并將計(jì)算結(jié)果與其它文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了該耦合計(jì)算方法的可靠性。然后研究了高雷諾數(shù)下方柱繞流后柔性懸臂梁流固耦合振動情況,得到柔性結(jié)構(gòu)的耦合振動特性和流場動態(tài)分布特征。該文的數(shù)值方法放寬了由大拉伸系數(shù)引起的穩(wěn)定性限制,能更靈活地被運(yùn)用于復(fù)雜柔性邊界條件的情況,為后續(xù)對各種柔性體流體耦合的研究提供了基礎(chǔ)。 

【文章來源】：水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2020,35(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

算例示意圖

圖4展示了柔性懸臂自由端的位移和速度信息。從模擬結(jié)果得出，由于不可壓縮黏性流經(jīng)過障礙物的不穩(wěn)定分離，旋渦從方柱突出邊緣以一定頻率脫落。方柱尾流中的渦形成非定常的阻力和升力，激勵柔性懸臂在流場中自由振動。根據(jù)Liew等的研究，位移歷程被劃分為兩個階段：鎖定和跳動。結(jié)構(gòu)位移在第一階段逐漸放大，懸臂的振蕩頻率接近其第一個本征頻率，激發(fā)鎖定(或共振)。在第二階段，結(jié)構(gòu)響應(yīng)收斂于穩(wěn)定的長期振蕩運(yùn)動，形成跳動(或調(diào)制)。在整個VIV過程中，渦旋脫落引起鎖定，從而驅(qū)動懸臂急劇振蕩[24]。從圖4可以清晰看出這一演變過程。穩(wěn)定后的振動頻率經(jīng)過計(jì)算可得為f=3.06，自由端振幅為d=1.22。表3展示了已有文獻(xiàn)對這個基本算例的模擬結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn)，本文結(jié)果與已有文獻(xiàn)的模擬結(jié)果非常吻合。圖5截取了結(jié)構(gòu)震蕩穩(wěn)定后的三幀典型渦量場�？梢钥闯觯谡袷幤陂g，流動模式和結(jié)構(gòu)振蕩的不穩(wěn)定特征明顯地展示在不同階段中。在圖中，渦作用在懸臂梁的表面上，并同時從懸臂兩側(cè)交替脫落，由此激發(fā)懸臂梁大幅度振動。值得注意的是，懸臂梁開始移動的一側(cè)的渦被削弱并最終被附近的流動抑制。因此，在這一側(cè)受到附近的高壓縮。然而，在相反的一側(cè)，渦被加強(qiáng)并且在懸臂梁的下游平行脫落。這些渦是由振動懸臂梁的尖端產(chǎn)生的速度梯度產(chǎn)的。由于立即暴露于流動，方柱正面上的壓力分布是正的，但是沿著方柱的側(cè)面檢測到低壓。沿著柔性懸臂也有低壓區(qū)域促使懸臂梁振動。圖3 方柱周邊網(wǎng)格

方柱周邊網(wǎng)格

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]上游圓柱固定條件下串列三圓柱渦激振動響應(yīng)和尾流特性[J]. 張志猛,及春寧,許棟,陳威霖,楊梟梟.  水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2019(02)
[2]不同控制角下附加圓柱對圓柱渦激振動影響[J]. 陳威霖,及春寧,許棟.  力學(xué)學(xué)報(bào). 2019(02)
[3]錯列角度對雙圓柱渦激振動影響的數(shù)值模擬研究[J]. 段松長,趙西增,葉洲騰,王凱鵬.  力學(xué)學(xué)報(bào). 2018(02)
[4]五葉側(cè)斜螺旋槳流固耦合特性的非定常數(shù)值模擬[J]. 曹峰,李巍,尤云祥.  水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯. 2013(05)

博士論文
[1]譜元方法求解不可壓縮流體流動及流動線性穩(wěn)定性分析[D]. 梅歡.重慶大學(xué) 2012



本文編號：3091033