尾流诱导振动问题包含着很多丰富且复杂的物理现象,由于缺乏理想的理论分析模型,其诱发机理尚未得到详尽的阐释.本文采用线性动力学模型分析串列双圆柱系统尾流诱导结构振动的锁频现象机理,并结合直接数值仿真方法(CFD/CSD方法)验证线性模型的分析结果.首先,基于流动定常解小扰动训练方法,采用系统辨识技术建立以结构位移作为输入,气动力系数作为输出的非定常气动力降阶模型(Reduced-order model,ROM).然后,通过耦合结构运动方程和非定常气动力降阶模型,构建基于ROM的流固耦合系统线性动力学分析模型(J.Fluid Mech.(2015),vol.783,PP.72-102.Zhang Weiwei and Li Xintao.et.al).算例分析了Re=60下,尾流诱导振动的锁频现象及其诱发机理.分析结果表明,亚临界Re下,尾流圆柱出现大幅振动及锁频现象的根本原因是由于流固耦合系统一个最不稳定模态分支出现失稳所致.且质量比较小时,不稳定区域延伸至U*∴∞(U*为折减速度),导致结构在远离共振区时仍然存在较大幅振动.此外,该模态在失稳区域内出现了特征频率转换现象,即随着U*增大,其特征频率由跟随结构固有频率逐渐转换至跟随非耦合流动模态的线性特征频率上,从而导致结构振动频率在失稳区域内出现了同样的转换.线性动力学模型分析的失稳边界与CFD/CSD仿真结果完全一致,且结构振动频率与失稳模态的特征频率吻合,证明了线性模型的分析结果的正确性,说明亚临界Re下尾流诱导振动本质上是由线性动力学特征失稳所致.
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