不等直径串列双圆柱次谐波锁定现象的实验研究

摘要

圆柱绕流是一个研究了百年的典型的流体力学问题，并且广泛应用于工程实际中，如深水海底线缆、桥墩、输电线路和工厂烟囱等。流体以一定的速度流过圆柱时，会在圆柱后面产生交替的漩涡脱落。当漩涡脱落频率与圆柱的振动频率一致时，将会导致柱体发生共振并受到损坏。串列双圆柱是圆柱绕流中基本的形式之一，由于圆柱间的相互作用，其流动特性与独立的圆柱情形有着很大的不同，这类问题对于基础研究和解决实际工程问题有着重要意义。
　　本文主要研究了不等直径串列双圆柱绕流模型次谐波锁定现象发生的条件，及其对流体流动状态和下游圆柱的特征量的影响，这些特征量包括漩涡脱落频率St，时均阻力系数CD，脉动阻力系数CD和脉动升力系数CL和流场结构等。实验在雷诺数Re=0.8×104~2.42×104范围内进行，考虑了不同直径比d/D=0.25~1.0，间距比L/d=5.5~20（L是上游圆柱的圆心到下游圆柱的前滞点的距离，d为上游圆柱的直径，D为下游圆柱的直径）。
　　随着L/d和Re的变化，可以观察到当d/D=0.6和d/D=0.65时下游圆柱的漩涡脱落频率值是上游圆柱涡脱频率的一半，即发生了次谐波锁定现象。经过大量实验数据的对比和分析可知，这种现象的发生是高度依赖于雷诺数Re和间距比L/d的。当d/D=1.0，L/d=5.5时，上下游圆柱拥有相同的漩涡脱落频率，由于其处在共同脱落流态下且两根圆柱的漩涡脱落过程是同步的，发生了谐波锁定现象。而当d/D=0.25，L/d=5.5时，尽管上下游圆柱拥有相同的漩涡脱落频率，但由于其处于再附着流态，故并没有发生谐波锁定现象。最终得到了基于不同L/d、d/D和Re下的流态云图，从中可以清晰地看出次谐波锁定以及谐波锁定现象发生时所对应的间距比，雷诺数和直径比等条件。

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致谢

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NOMENCLATURE

LIST OF FIGURES

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1.1 Background

1.2 Literature review

1.3 Objectives

CHAPTER 2 EXPERIMENTAL SET-UP AND TECHNIQUES

2.1 Experimental details

2.2 Force measurements

2.3 Particle Image Velocimetry \(PIV\)

2.4 Chapter summary

CHAPTER 3 RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Spectral signatures of vortices and Strouhal numbers

3.1.1 Vortex shedding frequency

3.1.2 Flow map and Strouhal numbers

3.2 Time-mean and fluctuating forces

3.3 Flow structures

3.4 Chapter summary

CHAPTER 4 CONCLUSIONS

4.1 Conclusions

4.2 Future work

参考文献

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