多鈍體流致振動是一個較為復(fù)雜的流固耦合過程,普遍存在于自然界和工程領(lǐng)域。為了減小高幅振動時(shí)網(wǎng)格變形引起的計(jì)算誤差,基于非定常Navier-Stokes方程對二維雙圓柱和三圓柱、三維雙圓柱流致振動進(jìn)行數(shù)值求解,采用耦合界面結(jié)合拓?fù)渚W(wǎng)格變形技術(shù),實(shí)現(xiàn)流體與多個運(yùn)動鈍體之間的耦合計(jì)算。將數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較分析,驗(yàn)證了該數(shù)值方法是處理高振幅多鈍體流致振動的有效方法。研究結(jié)果表明上游圓柱的存在對下游圓柱流致振動和旋渦形成產(chǎn)生明顯影響。串列雙圓柱流致振動振幅和頻率響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)測試趨勢一致,清晰觀察到了渦致振動初始分支和上部分支;并且當(dāng)Re>8×10⁴時(shí),圓柱流致振動由渦致振動向馳振過渡。圓柱尾渦形態(tài)隨流致振動分支切換發(fā)生變化,當(dāng)馳振發(fā)生時(shí),下游圓柱的尾渦形態(tài)受上游圓柱影響難以捕捉。隨著雙圓柱間距增大,低Re時(shí)下游圓柱受到上游圓柱的抑制作用減弱。三維多柱體流致振動計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值,如何提高三維數(shù)值計(jì)算速度將是下一步研究工作的重點(diǎn)。 

【文章來源】：振動與沖擊. 2019,38(22)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

物理模型Fig．1Physicalmodel

，不要求相鄰界面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一匹配。在具有旋轉(zhuǎn)部件的數(shù)值計(jì)算中要求所有界面網(wǎng)格相互匹配往往非常困難，CI界面是處理這類問題的有效途徑。對于界面網(wǎng)格不連續(xù)的區(qū)域，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后使用一個或者多個CI界面進(jìn)行連接。與滑移網(wǎng)格不同，CI界面包含主界面和副界面，使用加權(quán)插值進(jìn)行流率計(jì)算和傳遞。為避免柱體運(yùn)動造成網(wǎng)格拉伸或擠壓變形，保證在數(shù)值計(jì)算過程中維持較高的網(wǎng)格質(zhì)量，通過網(wǎng)格拓?fù)渥冃渭夹g(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動子塊上下網(wǎng)格的自動生成或塌縮，避免網(wǎng)格單元體積的劇烈變化。如圖2所示，振動柱體所在子塊的上下側(cè)為動態(tài)層，h為動態(tài)層與鄰近網(wǎng)格(n)的距離。當(dāng)流致振動發(fā)生時(shí)，子塊內(nèi)網(wǎng)格整體運(yùn)動，過程如下:(a)子塊向上運(yùn)動時(shí)，h變小，當(dāng)h＜hmin時(shí)，網(wǎng)格n崩塌消失;(b)子塊向下運(yùn)動時(shí)，h增大，當(dāng)h＞hmax時(shí)，將會自動生成網(wǎng)格n－1。其中hmin和hmax分別是根據(jù)整體網(wǎng)格質(zhì)量而設(shè)定的最小和最大網(wǎng)格厚度。拓?fù)渥冃渭夹g(shù)能自動對網(wǎng)格進(jìn)行更新，有效解決旋轉(zhuǎn)、拉伸和擠壓造成的網(wǎng)格變形問題，有效減小網(wǎng)格變形造成的計(jì)算誤差。圖2拓?fù)渚W(wǎng)格及耦合界面Fig．2Topologicalmeshandcouplinginterface3結(jié)果與討論為了研究彈性支撐多鈍體的流致振動響應(yīng)特性，同時(shí)驗(yàn)證本文提出的數(shù)值方法尤其是動網(wǎng)格模型的可靠性，本文分別對二維雙圓柱和三圓柱、三維雙圓柱模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。3．1二維雙圓柱流致振動二維雙圓柱計(jì)算區(qū)域如圖3所示，頂部和底部距離為9D，與實(shí)驗(yàn)水深相同，速度入口距上游圓柱軸心為25D，下游圓柱軸心距離壓力出口為25D，兩種不同間距的串列雙圓柱模型的軸心間距d分別為2

?hmin和hmax分別是根據(jù)整體網(wǎng)格質(zhì)量而設(shè)定的最小和最大網(wǎng)格厚度。拓?fù)渥冃渭夹g(shù)能自動對網(wǎng)格進(jìn)行更新，有效解決旋轉(zhuǎn)、拉伸和擠壓造成的網(wǎng)格變形問題，有效減小網(wǎng)格變形造成的計(jì)算誤差。圖2拓?fù)渚W(wǎng)格及耦合界面Fig．2Topologicalmeshandcouplinginterface3結(jié)果與討論為了研究彈性支撐多鈍體的流致振動響應(yīng)特性，同時(shí)驗(yàn)證本文提出的數(shù)值方法尤其是動網(wǎng)格模型的可靠性，本文分別對二維雙圓柱和三圓柱、三維雙圓柱模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。3．1二維雙圓柱流致振動二維雙圓柱計(jì)算區(qū)域如圖3所示，頂部和底部距離為9D，與實(shí)驗(yàn)水深相同，速度入口距上游圓柱軸心為25D，下游圓柱軸心距離壓力出口為25D，兩種不同間距的串列雙圓柱模型的軸心間距d分別為2D和2．5D。頂部和底面為壁面邊界。為了強(qiáng)化圓柱的流致振動，在圓柱表面沿軸向安裝兩條附屬粗糙帶，粗糙帶覆蓋16°圓柱表面，厚度為0．847mm，數(shù)值計(jì)算中采用壁面函數(shù)進(jìn)行求解。本文計(jì)算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，均經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。圖3計(jì)算區(qū)域及邊界條件Fig．3Calculationregionandboundaryconditions3．1．1雙圓柱軸心距離d=2D當(dāng)串列雙圓柱軸心距離d=2D時(shí)，雙圓柱所在方形網(wǎng)格子區(qū)域之間存在共用耦合界面。當(dāng)圓柱發(fā)生流致振動時(shí)，圓柱所在子區(qū)域整體運(yùn)動，并在動態(tài)層經(jīng)過區(qū)域成功實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格自動崩塌與生成，如圖4所示。計(jì)算雷諾數(shù)(Ｒe)范圍為3×104≤Ｒe≤10×104，對應(yīng)折減832振動與沖擊2019年第38卷

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3529421