圆柱-尾流隔板结构系统的流固耦合数值研究

摘要

圆柱-尾流隔板结构系统在水流作用下的动力响应问题是流固耦合作用难题之一。在低雷诺数条件下对相关的流固耦合作用问题开展研究工作，对于相应的实际工程问题具有指导和借鉴意义。本文将对圆柱-尾流隔板结构系统发生单自由度旋转运动、两自由度旋转与横流向平动运动的流固耦合问题及串列双圆柱-尾流隔板发生两自由度旋转与横流向运动的流动干涉问题开展数值研究。本文的研究工作重点关注低雷诺数条件下圆柱-尾流隔板流固耦合作用的基础理论问题，采用二维直接数值模拟来开展数值分析。 本文在任意拉格朗日-欧拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE）观点下，建立了流固耦合的时域数值模型，采用高阶迎风有限元法求解Navier-Stokes方程，采用Newmark-β法求解结构运动方程，并引入可靠的方法进行网格更新。结合具体的流固耦合问题对建立的数值模型进行严格的数值验证后，开展后续的数值研究。 首先，本文利用建立的数值模型对圆柱-尾流隔板结构系统在水流作用下发生单自由度旋转运动的流固耦合问题开展数值研究。考察在固定雷诺数和板长条件下，质量比和旋转约化速度对圆柱-尾流隔板旋转振动特性和流场特性的影响作用，重点关注质量比对旋转动力分叉行为（振动的平衡位置偏离来流方向）的影响作用。数值分析结果表明，旋转约化速度大于临界值Urr1后，旋转振动会出现分叉现象，且该临界旋转约化速度值Urr1随着质量比的增大以近似线性的趋势增大；发生动力分叉行为时，结构振动的频率成分中包含了主控频率的偶数倍频；流场特性分析结果表明，分叉行为的发生是由流场对称性破损导致的；旋转振动幅值和主控频率同时在旋转约化速度Urr2处发生跳跃式增大，该旋转约化速度值Urr2随质量比的增大逐渐增大。 其次，本文进一步对圆柱-尾流隔板发生旋转和横流向平动运动的两自由度流固耦合问题开展数值研究。计算并分析旋转约化速度和横流向约化速度对结构振动特性及流场特性的影响作用。数值分析结果表明，在特定横流向约化速度下，即使在较高旋转约化速度条件下圆柱-尾流隔板结构系统也未出现分叉现象，在其余横流向约化速度下，在旋转约化速度超过临界值后，旋转及横流向振动同时出现了分叉现象，且偏向于来流方向的同侧；横流向及旋转约化速度均对横流向及旋转振动幅值产生重要影响，发生分叉行为后，幅值的明显增大与尾涡脱落模式的改变有关。 最后，本文对串列双圆柱-尾流隔板结构系统的流动干涉问题开展数值研究。其中，上游与下游圆柱-尾流隔板的结构动力参数相同，同时具有旋转和横流向平动两个自由度的运动。重点研究约化速度和结构间距比对结构振动特性及流场特性的影响作用。研究结果表明，在本文研究间距比8.0、10.0和12.0范围内，上、下游圆柱-尾流隔板结构旋转及横流向振动的幅值、平衡位置、主控频率受间距比的影响不明显；上游结构与单个结构两自由度振动的幅值、平衡位置及主控频率随约化速度的变化情况基本相同，而下游结构由于位于上游结构的尾流区，其两自由度振动特性随约化速度的变化情况较为复杂；结构间距比及约化速度均对尾涡脱落形态有一定影响作用。

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