附加粗糙带圆柱流致振动响应特性及影响因素

摘要

当钝体处于一定流速的流体中时，旋涡脱落以及随之产生的流致振动（Flow-induced Motion, FIM）现象十分常见。流致振动普遍存在于自然界和工程领域，一方面，它会对许多工程结构物造成结构性疲劳损害，产生严重的安全性问题；另一方面，流致振动蕴含着大量的能量，只要利用得当，它也有对人们有利的一面。近年来，利用钝体流致振动引起的动能转换为电能的清洁能源收集技术在新能源领域中引起了广泛研究兴趣。为了提高流致振动清洁能源收集系统的能量收集效率，需要了解流致振动的产生机理和提高振动强度的途径。采用在圆柱表面选择性增加粗糙带的被动控制措施能够有效强化圆柱的流致振动，促进高强度的驰振的产生。目前，表面选择性增加粗糙带的被动控制圆柱流致振动动力学响应特性尚未有统一定论，被动控制圆柱由涡致振动（Vortex-induced Vibration， VIV）向驰振转变的物理机制尚未明确，而且来流攻角对被动控制柱体振动响应特性的影响未知，基于被动控制圆柱的流致振动清洁能源收集系统在不同来流攻角下的能量转换特性及其物理机制需要进一步深入研究。
　　本文针对被动控制圆柱，首先采用数值计算的方法对涡致振动-驰振过渡区间的柱体振动特性展开详细的研究，得到了柱体的振幅、频率和尾流旋涡形态的变化规律，分析了柱体的升力响应特性以及升力-位移相位差等，深入探讨柱体驰振的激励机制。最后，本文进一步探究不同来流攻角对柱体振动特性的影响，获取柱体在不同来流攻角工况下能量收集特性等表现性能，主要得到以下结论。
　　首先，针对被动控制圆柱在 VIV-驰振过渡区的柱体振动特性展开详细研究：在本文所研究的折减速度范围内（5.50≤U*water≤9.63），可以观察到被动控制圆柱体的三个振动分支：VIV上部分支、VIV-驰振过渡区和驰振分支，本文数值计算成功捕捉到了柱体驰振的激发。柱体在 VIV-驰振过渡区时具有较高的振幅，并且随来流速度增加，振幅持续上升。柱体振动发生驰振后，最大振幅达到了3.88D。当柱体处于VIV-驰振过渡区时，随着U*water增加，柱体振动频率比并没有进一步继续随之上升，而是缓慢下降，过渡到高振幅、低频率的驰振阶段。本文数值计算结果的振幅和频率大小与实验数据极为接近，对照效果良好。
　　其次，通过进一步分析，探究柱体由VIV向驰振转变的激励机制：随着柱体从VIV上部分支向驰振转变，升力系数曲线与位移曲线之间相位差基本为0°，升力始终与位移保持同相，升力能最大限度地促进柱体的振幅向增大的驰振方向发展。但是升力大小变化却与振幅大小变化规律不一致，升力大小不是导致驰振产生的唯一因素。升力大小和方向共同决定着柱体振幅的变化方向。被动控制圆柱的粗糙带能够促进柱体脱体旋涡数目的增加、旋涡强度差异化和旋涡模态的复杂化，进而强化柱体的旋涡脱落并改善柱体的升力特性等，使得柱体的驰振得到激发。
　　最后，本文探究来流攻角对柱体振动响应特性和能量收集特性的影响：在本文所研究的攻角范围内（0°≤αattack≤90°），随着攻角的增加，不同振动分支的柱体能够观察到其流致振动先被强化，而后被剧烈削弱的变化趋势（与攻角为0°时的相比）。柱体最大振幅分别在攻角为αattack=10°（驰振阶段）和αattack=20°（VIV上部分支）时取得。当αattack≥55°时，没有观察到明显的流致振动现象。大攻角阶段（αattack≥55°），尾流区域狭长细小化，旋涡脱落被严重抑制，柱体的流致振动因而也被强烈削弱。值得注意的是，在柱体取得最大振幅的来流攻角下，可以观察到一种复杂的脱落旋涡再附着现象，其强化了柱体与流体之间的流固耦合作用，这导致了柱体流致振动的振幅的增大。VIV上部分支和驰振阶段是流致振动清洁能源收集系统能够高效地进行能量收集的两个区域，系统进行能量收集的最优来流攻角为10°和20°。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文研究内容

2 物理模型及数值方法

2.1 物理模型

2.2 基本控制方程

2.3 数值计算方法

3.1 引言

3.2 计算模型及工况

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 不同来流攻角对被动控制圆柱振动特性的影响

4.1 引言

4.2 计算模型及工况

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 全文总结及展望

5.1 本文主要结论

5.2 本文创新点

5.3 工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目