正三角形排列刚性耦合三圆柱涡激振动特性及尾涡模式

摘要

采用基于嵌入式迭代的浸入边界法对等边三角形排列的刚性耦合三圆柱涡激振动进行了数值模拟研究.其中一个圆柱在上游放置,另外两个圆柱并排放置于下游,圆柱间刚性连接,系统仅在横向自由振动.圆柱间距比L*分别为1.0、1.6、2.5和4.0,雷诺数为Re=100,质量比为m *=2.0,折合流速为Ur=3.0 ～30.0.分析了不同间距比下圆柱振幅、流体力、振动频率和脱涡模式等.研究发现,随Ur的增大,各间距比下的振动响应均可划分为初始分支(initial branch,IB)、下端分支(lower branch,LB)和非锁定区域(desynchronized region,DS).其中,非锁定区域又可进一步分为前非锁定区域(DS1)和后非锁定区域(DS2).随折合流速的增大,圆柱振幅整体上先增后减,而随间距比的增大,圆柱振幅则先减后增.圆柱的最大振幅(A *=1.11)出现在L*=1.0、Ur=8.0处.当L*=1.0、1.6和2.5时,圆柱振动存在锁定区间,振动频率锁定在固有频率附近,而L*=4.0时,圆柱的振动频率随折合流速增大线性增大,不存在锁定区间.当L*=2.5时,在DS2分支上,圆柱振动出现了两个强度相当、频率不同的分量,分别为低频驰振分量与高频涡振分量,而且由于复杂的柱间流体结构使得三圆柱升力频率存在较大差异.当L*=1.6时,在DS分支上,圆柱下游出现宽-窄尾流,导致了下游圆柱所受升阻力均值和升力均方根不相等.