方柱涡致振动及减阻机理的数值研究

论文摘要

在与流体有关的机械与工程中,涡诱发振动（Vortex-Induced Vibrations,VIV）是一涉及安全性的重要问题。在一些不利的条件下,流体诱发振动可能造成结构坍塌,甚至引发灾难事故。而在实用结构物中方形柱体是一种常见的形状,因此研究方柱的绕流问题成为研究相关工程问题的一项基础研究,同时由于方柱绕流包含着诸多的流体力学基本现象如边界层分离、层流湍流转捩等,因此方柱绕流的研究具有很强的应用背景和重要的学术价值。本文利用流体力学数值方法,对来流雷诺数为200条件下弹性支撑方柱的涡致振动现象,以及通过在方柱上游放置控制片来减阻和减振的控制机理进行了研究。文中的流场模拟利用了计算流体力学软件FLUENT,通过求解不可压缩粘性流体Navier-Stokes方程获得流场的各物理量;柱体的振动模拟采用了质量-弹簧-阻尼系统,采用经典的龙格-库塔方法求解柱体振动方程;流体与固体之间的耦合利用了FLUENT的用户自定义函数（UDF）,将柱体的振动响应嵌入到FLUENT,实现了交替计算流场分布和结构动态响应的流固半耦合计算,即在每一时间步计及流体与固体的相互作用分别求解流体运动的控制方程和柱体的振动方程,从而模拟流体和方柱之间的非线性耦合作用。对来流雷诺数为200条件下弹性支撑方柱的涡致振动进行了系统的研究,成功地捕捉到了“锁定”、“拍”和“相位反相”等现象,详细分析了小雷诺数条件下方柱位移、振幅、尾涡形态和升阻力系数等在不同的频率比和质量比条件下的变化规律。论文还进一步针对在方柱前放置控制片的流动控制问题进行了研究,系统地分析了控制片高度以及控制片与方柱间的间距对方柱的升阻力系数以及尾流特征的影响,分析了控制片对方柱绕流的减阻和减振机理,并揭示了临界间距和准稳态的存在,以及在不同条件下,控制片减阻和减振的最佳放置位置。论文研究成果对实际工程问题有很好的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 流体诱发振动机理
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 钝体绕流减阻技术的发展
• 1.3.2 流体诱发振动技术的发展
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 控制方程和计算方法
• 2.1 流体流动控制方程和离散方法
• 2.1.1 流体流动控制方程
• 2.1.2 控制方程的离散方法
• 2.1.3 SIMPLEC算法
• 2.2 动网格技术
• 2.2.1 动网格条件下的控制方程
• 2.2.2 动网格更新方法
• 2.2.3 用户自定义函数（UDF）
• 2.3 本文物理模型
• 2.3.1 计算区域和网格划分
• 2.3.2 边界条件的设定
• 2.3.3 柱体振动方程
• 2.4 计算过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 刚性支撑方柱的绕流计算及程序验证
• 3.1 固定方柱绕流
• 3.2 程序验证
• 3.3 本章小结
• 第4章 单自由度涡致振动的数值模拟
• 4.1 计算模型
• 4.2 不同频率比的涡致振动
• 4.2.1 升阻力系数及位移时程曲线
• 4.2.2 尾涡结构
• 4.3 质量比对涡致振动的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 带控制片方柱绕流的数值模拟
• 5.1 计算模型
• 5.2 控制板与方柱之间距离对方柱绕流的影响
• 5.2.1 尾涡结构
• 5.2.2 升阻力时程曲线
• 5.3 控制板高度对方柱绕流的影响
• 5.3.1 尾涡结构
• 5.3.2 升阻力时程曲线
• 5.4 涡激振动对加控制片模型的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢