圆柱绕流场涡致柱体振动的研究

摘要

柱体绕流及其诱发的柱体振动问题在基础研究和工程应用中都有着重要的意义。本文采用格子Boltzmann方法对弹性支撑圆柱体的涡激振动以及Poiseuille流致柱体振动这两种不同性质的动力学模型进行了系统的研究。
　　本文首先研究了单自由度弹性支撑单圆柱以及串列双圆柱的涡激振动。研究结果表明，不论是单圆柱还是双圆柱系统，都可以在亚临界雷诺数区域发生涡激振动。在双圆柱系统中，除了传统的绕平衡位置的对称振动形态外，还首次发现了一种偏倚振动形态，并且该振动形态主要存在于亚临界雷诺数区域。结果还表明，圆柱振动偏倚度随着折合速度的增大、圆心距的减小以及质量比的减小而增大。这种偏倚振动形态主要由结构回复力与圆柱间隙流之间的相互作用所引起。
　　此外，本文还提出了一个新的动力学系统:Poiseuille流致柱体振动，即位于两平行管道壁面之间的一个或多个圆柱体在流向固定，同时在流体力的作用下于横向作自由运动，并针对单圆柱，并列双圆柱以及串列双圆柱这三种不同的流场结构，分别加以系统研究。
　　对于单圆柱情形的研究结果表明，雷诺数、阻塞率以及质量比对圆柱的运动模态以及流场结构都起着重要的作用。根据圆柱的运动以及相应的流场结构，研究发现存在四种运动模态:中心静止、对称周期振动、偏倚周期振动以及小振幅振动。本文还对不同雷诺数和阻塞率下质量比对圆柱运动的影响进行了系统的研究，并重点考察了临界质量比现象。通过对静止圆柱体在管道内不同横向位置的受力分析表明，升力系数的分布对圆柱体的运动模态起着决定性的作用。
　　对于并列双圆柱情形的研究结果表明，在中等雷诺数及低质量比情形下，随着阻塞率的减小，双圆柱的协同运动模态依次表现为:翻滚振动、同步同相振动、双稳定振动以及同步反相振动。在相同的流动条件下，并列双圆柱的振幅、频率以及相对平衡位置随阻塞率变化的趋势与单圆柱情形基本一致。结果还表明，圆柱体的振动形态主要取决于阻塞率，而非雷诺数与质量比。此外，并列双圆柱的临界质量比略大于相同流动条件下的单圆柱系统。
　　对于串列双圆柱情形的研究结果表明，圆柱间距对圆柱以及流体的运动有重要的影响。当间距较小时，上下游圆柱有着较强的相互干扰作用，而当间距逐渐增大时，圆柱间的相互干扰逐渐退耦。根据不同的雷诺数、阻塞率、质量比以及圆柱间距，我们一共观察到了两种静止模态和六种运动模态。当阻塞率较大时，圆柱的最终运动模态是唯一的，而当阻塞率较小时，圆柱的运动表现为双稳定模态，即两圆柱偏向管道的同一侧作强相干运动或分立于管道的两侧作弱相干运动。当圆柱间距较小时，双圆柱的临界质量比单圆柱的值大了约一个数量级，这说明圆柱间隙流对圆柱体有非常强的作用力。
　　根据所得到的结果，本文所研究的Poiseuille流致振动可以被认为是一种新型的流致振动模型，并且有望在管道混流与传热中找到应用。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 圆柱绕流研究综述

1．3 涡激振动研究综述

1．4 本论文的研究内客

第二章 格子Boltzmann方法的原理及其实现

2．1 引言

2．2 格子Boltzmann方法的发展简史

2．3 格子Boltzmann方法的基本原理

2．4 格子Bollzmann方法的边界处理

2．5 小结

第三章 弹性支撑圆柱体涡激振动的研究

3．1 引言

3．2 力学模型

3．3 数值方法的验证

3．4 弹性支撑单圆柱的涡激振动

3．5 弹性支撑串列双圆柱的涡激振动

3．6 小结

第四章 管道内单圆柱流致振动的研究

4．1 引言

4．2 力学模型

4．3 数值计算参数

4．4 结果与讨论

4．5 小结

第五章 管道内并列双圆柱流致振动的研究

5．1 引言

5．2 力学模型

5．3 数值计算参数

5．4 结果与讨论

5．5 小结

第六章 管道内串列双圆柱流致振动的研究

6．1 引言

6．2 力学模型

6．3 数值计算参数

6．4 结果与讨论

6．5 小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果