發(fā)布時間：2018-01-07 20:03

  本文關(guān)鍵詞：基于格子Boltzmann方法的流動控制問題的數(shù)值模擬研究　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：柱體繞流的旋渦脫落會導(dǎo)致渦激振動和噪聲等負(fù)面影響,如何消除渦激振動帶來的危害是必須考慮和解決的實際問題。流動控制技術(shù)可以抑制旋渦脫落,是消除渦激振動的有效途徑。多年來,研究人員總結(jié)實驗現(xiàn)象和數(shù)值模擬的結(jié)果提出兩種流動控制方法,主動控制和被動控制。主動控制是一類需要使用外加能量來驅(qū)動裝置和設(shè)備的控制方法,即考慮從柱體本身做出改變,如強迫振動。被動控制不需要額外動能,利用柱體外部環(huán)境因素間接實現(xiàn)消渦減阻。其中包括在柱體的外部添加控制部件,如導(dǎo)流板。利用流動控制技術(shù)實現(xiàn)對柱體繞流的控制,具有重要理論意義。從工程實際角度來看,抑制柱體的旋渦脫落,對保護(hù)使用中的結(jié)構(gòu)免受渦激振動危害方面具有重大的現(xiàn)實意義�；谝陨险J(rèn)識,本文數(shù)值模擬兩種流動控制問題,其一是附帶導(dǎo)流板的近壁面圓柱繞流問題,其二是振動橢圓柱繞流問題。本文的研究成果有助于認(rèn)清旋渦脫落抑制的內(nèi)在機理,對流體工程問題有重要的指導(dǎo)意義。本文模擬的兩種流動控制方法,都能達(dá)到控制柱體尾流旋渦脫落的效果,實現(xiàn)減小阻力和消除渦激振動的目的。本文采用的數(shù)值模擬方法是結(jié)合大渦模擬的二維9速度多松弛格子Boltzmann方法,該方法的演化方程是:fα(x+ eα△t,t+△t)-fα(x,t)=-M-1S[m(x,t)-Mt)(eq)(x,t](1)公式中f(x,f)=[f0(x,t),f1(x,t),…,f8(X,t]T是速度空間、時刻t、位置x處的粒子分布函數(shù),M-1是正交變換矩陣M的逆矩陣,S是對角矩陣。m為矩空間矢量,m=Mf,f=M-1m,]m(eq)=Mf(eq)是矩空間的平衡態(tài)函數(shù)。速度空間的平衡態(tài)分布函數(shù)fα(eq)(x,t)可統(tǒng)一的表示為如下形式:其中,ρ和u分別是流體的密度和速度,格子聲速 粒子的速度空間離散為如下9個速度:式中 △x是格子長度,△t是時間步長。ωα是權(quán)系數(shù):流體的密度和速度可以由下面兩式獲得:對角矩陣S包括的松弛時間這樣給出:S=diag(Sρ,Se,Sε,Sj,Sq,Sj,Sq,Sv,Sv),這里的Sρ和Sj為守恒量的松弛時間,可以任意設(shè)置;Sv決定了運動粘度Se與體積粘度有關(guān)。變換矩陣M為:將大渦模擬模型引入多松弛格子Boltzmann方法后,有效粘性系數(shù)被表示成Vtotal = V0 + Vt,其中V0=UL/Re是運動粘度系數(shù),Vt為亞格子渦粘性系數(shù)。Vt可根據(jù)渦粘模型公式確定:,其中Cs為亞格子渦粘模型參數(shù),△為濾波尺度,,Sij為應(yīng)變率張量,可以表示為。邊界處理方法選用非平衡態(tài)外推格式。首先數(shù)值模擬被動控制方法中附加導(dǎo)流控件的流動,研究其流動特性并分析消渦減阻機理。本文將圓柱置于壁面附近,圓柱右端附帶一個導(dǎo)流板,圓柱和導(dǎo)流板組成圓柱-導(dǎo)流板系統(tǒng),計算模型中壁面是運動的,具有和來流相同的速度。我們對參數(shù)的敏感性進(jìn)行了分析,考慮兩個參數(shù),一個是間隙率G/D,取值從0.1變化到3.0,另一個是雷諾數(shù)Re,取值從200到400。首先研究了間隙率對旋渦脫落的影響,找到不同雷諾數(shù)對應(yīng)的臨界間隙率。當(dāng)間隙率小于臨界間隙率時,圓柱-導(dǎo)流板系統(tǒng)尾流區(qū)的交替渦脫落現(xiàn)象完全消失,流動狀態(tài)穩(wěn)定。我們發(fā)現(xiàn),在圓柱的尾流區(qū)增加一個導(dǎo)流板,有抑制渦脫落的作用。然后分析了間隙率對升阻力系數(shù)的影響,得到平均阻力系數(shù)和升力系數(shù)的變化曲線。平均升阻力系數(shù)隨著間隙率和雷諾數(shù)的減小而同步減小,表明壁面移動和附加導(dǎo)流板具有明顯的減阻效果,最大減阻率達(dá)到30%。其次數(shù)值模擬振動橢圓柱繞流問題,考察柱體振動的頻率和振幅對流動結(jié)構(gòu)的影響,并分析消渦減阻機理。振動柱體繞流問題中,用"鎖定"來描述渦脫落頻率與柱體振動頻率的同步。當(dāng)旋渦脫落頻率和柱體激振頻率相同時叫做鎖定狀態(tài),否則為非鎖定。本文選擇雷諾數(shù)Re = 200時的橢圓柱振動作為基本模型。首先對橢圓柱振幅與短軸比為0.2時的情況進(jìn)行數(shù)值模擬,研究振動頻率對旋渦脫落形態(tài)的影響。當(dāng)振幅固定時,振動頻率越大旋渦脫落形態(tài)越雜亂,說明振動可以擾亂旋渦脫落規(guī)律。然后研究振動頻率對流場流動結(jié)構(gòu)的影響,在流場中設(shè)置監(jiān)測點,對監(jiān)測點的y-方向速度分量變化進(jìn)行功率譜分析,獲得鎖定與非鎖定的振動頻率分布圖。對比平均阻力系數(shù)變化曲線,歸納鎖定發(fā)生時的振動頻率和振幅,確定共振發(fā)生的頻率分布范圍。依據(jù)此分布情況,工程中可通過改變柱體振幅和振動頻率的方式,實現(xiàn)對已有渦激振動的干擾,避免共振的發(fā)生。此結(jié)論從保護(hù)工程構(gòu)件免受共振危害出發(fā),提出可供參考的理論依據(jù)。
[Abstract]:Flow around a cylinder vortex shedding vortex induced vibration and noise will cause negative effects, how to eliminate the hazards of vortex induced vibration is brought must consider and resolve practical problems. The flow control technique can suppress vortex shedding, is an effective way to eliminate the vortex induced vibration. Over the years, the researchers summarized the experimental phenomenon and numerical simulation the results put forward two methods of flow control, active control and passive control. Active control is a control method of a class need to use extra energy to drive the device and equipment, taking into account the change from the column itself, such as forced vibration. By dynamic control does not need additional energy, realize the indirect anti vortex drag reduction by column body external environment the factors including adding control parts in the external cylindrical body, such as the guide plate. To achieve the control of flow around a cylinder using a flow control technology, it has important theoretical significance. From the view of engineering practice. 鐪，

本文編號：1394015