串列三圆柱流固耦合响应的尾流干涉与动态演变特性研究

基于有限体积法应用开源OpenFOAM软件对串列三圆柱的涡激振动响应进行了数值模拟研究,分析了雷诺数Re=150、间距比介于2~6的串列三圆柱在约化速度2~16范围内的流固耦合动态响应特性.研究观察到:当间距比为2时,上游圆柱振动锁定的区域明显变宽,并且在锁定区域内振幅明显高于大间距工况,表明小间距布置时,下游圆柱的存在对上游圆柱振动起增强作用.由于尾流诱导的作用,中间圆柱和下游圆柱振幅的最大值高于上游圆柱.串列三圆柱的尾流干涉模式存在拓展体模式、持续再附着模式、交替再附着模式、拟同脱落模式和同脱落模式5种,并且由于圆柱振动过程中振幅的动态变化,尾流干涉模式出现不稳定切换.在间距比为2,约化速度为7时观察到振动存在“拍”现象,在间距比为6,约化速度为4时观察到多频参与振动的大周期现象,两种现象发生时都会引起柱体升力和振幅的波动.当中间圆柱和下游圆柱的尾流干涉处于拟同脱落模式时,尾迹中的双排涡合并形成二次涡街,而双排涡的融合发生在同侧相邻的两个旋涡或3个旋涡之间,与圆柱的间距比相关.

高雷诺数下串列粗糙三圆柱的流致振动试验研究

通过试验研究了高雷诺数下串列粗糙三圆柱的流致振动,分析与探讨了刚度、间距比对各个圆柱振幅响应、频率响应、位移频谱的影响,并与串列粗糙双圆柱的结果进行对比,揭示了干扰圆柱数量的增加对受扰圆柱流致振动的影响规律。研究结果表明:在初始分支,上游圆柱对下游圆柱有强烈的屏蔽作用,而在上端分支,出现下游圆柱振幅超过上游圆柱的现象;在上端分支和过渡区域,低刚度条件下,下游圆柱干扰数量的增加可以明显降低上游圆柱的振动频率;在涡激振动区域,下游干扰圆柱数量的增加几乎不影响上游圆柱的振幅;在驰振区域,上游圆柱干扰数量的增加降低了下游圆柱的振幅,并随着刚度的增加对下游圆柱振幅的降低程度下降;间距比对串列粗糙三圆柱的流致振动响应具有显著影响。

串列三圆柱的尾流特性及涡激振动研究

采用重叠网格技术,研究了低雷诺数下串列三圆柱的尾流特性及中游圆柱横向振动的涡激振动响应。结果表明,对于静止三圆柱在不同节径比(2.0~6.0)下的流场,随着节径比的增大,尾流模态将从“2S”模式变为“2P”模式;其上游圆柱与下游圆柱的涡脱临界节径比在3.0~3.5之间,中游圆柱的涡脱临界节径比在2.5~3.0之间;对于上下游圆柱固定-中游圆柱可横向振动的串列三圆柱,其中游圆柱产生横向振动的原因是发生了结构模态失稳。虽然中游圆柱在涡脱临界节径比前后的振动响应趋势相同,但是在临界节径比之后的情况将以更高的折减速度进入锁频状态,且锁频区间更宽。

亚临界雷诺数下错列布置三圆柱体绕流特性研究

基于Fluent采用大涡模拟(LES)方法,对亚临界雷诺数Re=3900条件下错列布置三圆柱体结构群三维绕流问题进行了数值研究。为验证数值方法的正确性,选取单圆柱体工况来进行相关参数的验证,发现结果吻合较好。随后,重点分析了间距比(L/D)此关键参数对错列布置三圆柱体结构群流致特性的影响。相关结果表明:在小间距比范围内(1.5≤L/D≤2.0),中下游圆柱的平均阻力系数显著小于单圆柱工况结果;当间距比为3.0工况下,上游圆柱的时均压力系数分布与其他间距比工况结果存在较大差异性;小间距比工况下(L/D=1.5),柱体群尾流区存在显著的偏斜流态;三圆柱系统的边界涡通量分布特性表明,顺流向涡主要从中游圆柱表面产生,随后进入流场中并发生变形与拉伸。

平面剪切来流作用下串列布置三圆柱流致运动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对Re=100时,剪切来流作用下串列三圆柱体双自由度流致振动问题进行了数值计算.首先,与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后,着重分析剪切率、固有频率比和折减速度三个关键参数对串列三圆柱体结构流致动力响应及流场特性的影响.数值计算结果表明:剪切率、固有频率比与折减速度对结构振幅和运动轨迹的影响较大.随剪切率的增大,上游圆柱最大振幅的变化与单圆柱工况类似.中下游圆柱最大振幅会增大且会出现双向共振现象,同时,发生共振响应区域会扩大.随固有频率比的增大,上游圆柱顺流向锁定区间范围会减小,而中下游圆柱双向锁定区间会扩大.另一方面,均匀来流作用下,结构运动轨迹以'8'字形和不规则形状为主.随剪切率的增大,锁定区间内运动轨迹会由'8'字形转变为'雨滴'形.在大剪切率与高固有频率比工况下,中游圆柱体结构运动轨迹会出现'双雨滴'形状.最后,通过对流场特性的分析,揭示了剪切来流作用下串列三圆柱结构流致运动响应的内在机理.

低雷诺数下串列三圆柱涡激振动中的弛振现象及其影响因素

对间距比为1.2和雷诺数为100的串列三圆柱涡激振动进行数值模拟,发现在某个折合流速之后,三圆柱的响应均呈现为随着折合流速增大而增大的弛振现象,平衡位置偏移、低频振动以及旋涡脱落与圆柱运动之间的时机三个因素共同决定了弛振现象的出现.进一步的研究发现,串列三圆柱的弛振现象仅出现在质量比不大于2.0和雷诺数不大于100的工况下.当质量比较大时,串列三圆柱的平衡位置固定不变,且圆柱的振动不规律,使得旋涡脱落与圆柱运动的时机处于变化之中.当雷诺数较高时,最上游圆柱的平衡位置在折合流速较大时回到初始位置,不再参与对圆柱振动的调节,使得圆柱的振动响应不再规律,旋涡脱落与圆柱运动的时机也一直处于变化之中.

正三角形排列三圆柱绕流与涡致振动数值模拟

基于有限体积法求解二维粘性不可压缩N-S方程,对低雷诺数下正三角形排列等直径三圆柱的绕流与涡致振动进行数值模拟。圆柱振动简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,圆柱的动力响应通过Newmark-β方法求解。间距比在1.5~6.0之间变化,重点研究各圆柱的气动力和响应及相关的频率特性、尾流流动模式随间距比的变化。研究结果表明：三圆柱发生振荡时的气动力要远大于绕流结果,当间距比在3.5~4.0之间气动干扰最为强烈。当间距比大于3.0时,下游圆柱的横向和流向位移相位差出现周期性切换,导致升力系数均值出现波动,并且下游圆柱的质心运动轨迹为斜向上和斜向下椭圆形的叠加。三圆柱的最大横向位移幅值均能达到0.9D,下游圆柱的最大流向振幅达到1.1D,这说明组成多圆柱振荡系统单柱的横向位移远大于孤立圆柱发生涡激共振的最大位移,并且下游圆柱的流向振荡不可忽视。

三圆柱绕流压力的脉动幅度及其与RMS值数值关系的实验研究

本文用实验的方法研究了单圆柱和正品字和倒品字排列三圆柱脉动压力幅度的大小以及它们与均方根(RMS)值之间的定量关系.在大多数情况下,脉动幅度是RMS值的3～4倍,有较固定的数值变动范围.强烈的压力脉动发生在后排圆柱的某些部位,表明了群体干扰对脉动压力幅度的严重影响,而缝隙流动影响了它们与RMS值之间的比例关系.

三圆柱绕流的实验研究

通过风洞实验研究了在亚临界雷诺数下成等边三角形布置的三个相同直径的二维圆柱在不同风向角下的表面压力分布的变化。研究结果表明 ,在较小间距比时 ,随风向角的变化会产生由邻近、剪切层和尾流三种不同机理引起的相互干扰。在一定的风向角下 ,由于上游柱分离剪切层的直接作用 ,处于下游位置圆柱的内侧或外侧会出现大面积的负压分布 ,因而产生很大的横向力。

亚临界雷诺数下串列三圆柱体绕流特性研究

基于流体计算软件Fluent,本文采用Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟(LES)方法,对Re=3900时串列三圆柱体群绕流进行了三维数值模拟。首先,通过求解单圆柱算例来验证计算模型及参数的正确性。然后,分析了间距比对三圆柱体群绕流特性的影响。数值结果表明:随着间距比的增大,剪切层会出现再附着、卷起再附着和无再附着三种形式,同时尾涡第一次卷起位置也会逐渐向上游移动。此外,圆柱体尾流区顺流向时均速度分布由“U”型变为“V”型,横流向时均速度近尾流区分布呈反对称,远尾流区反对称现象会逐渐减弱。在L/D=4.1~4.2范围内,串列三圆柱体群所受的流体力会发生突变。上中游圆柱体平均阻力系数会增大,与双圆柱体工况类似;然而,下游圆柱体会减小。最后,三圆柱体的升力系数主频率值基本一致,并随着间距比的增大而增大。

串列三圆柱的脉动气动力特性试验研究

采用刚性模型测压风洞试验的方法研究了不同间距下串列三圆柱的脉动气动力特性,并与单圆柱和串列双圆柱的结果进行了对比。试验雷诺数以及间距比L/D(相邻圆柱中心距与单圆柱的直径之比)分别为3.4×10^(4)和1.212.0。研究结果发现,与串列双圆柱类似,串列三圆柱上游和中游圆柱的临界间距比(L/D)cr=3.54.0。在临界间距比附近,脉动气动力系数突升至最大值。串列三圆柱下游圆柱表现出两个临界间距比,分别为(L/D)cr1=2.02.5和(L/D)cr2=3.54.0。脉动气动力系数在临界间距比(L/D)cr1附近突升至最大值,而在临界间距比(L/D)cr2附近发生突降现象。气动干扰对串列三圆柱斯托罗哈数的影响表现为减小效应,与串列双圆柱相比,这种减小效应在L/D<(L/D)cr时更明显。

一种新型Inside-Out核磁共振传感器——三圆柱磁体阵列

介绍了一种新型的inside-out核磁共振传感器。该传感器磁体结构由三个沿轴向磁化的圆柱形永磁体同轴排列而成,结构紧凑。通过调节三个磁体之间的距离,可以在磁体结构外侧建立起径向对称的均匀静态磁场或有恒定梯度的静态磁场B_0,其方向平行于传感器轴向。为了满足射频磁场B_1垂直于静态磁场B_0的要求,射频线圈采用马鞍形结构。传感器直径为2.8cm,长度为6cm,重为200g。该传感器磁体结构简单,且灵敏区域相对其本身尺寸较大。

串列布置三圆柱涡激振动频谱特性研究

对串列三圆柱体双自由度涡激振动问题进行了数值计算,并分析了雷诺数、固有频率比和约化速度对串列三圆柱体结构动力响应及频谱特性的影响.研究发现:雷诺数、频率比对上游圆柱的振幅和流体力系数的影响较小.中游圆柱频率锁定区域随着雷诺数的增大而增大,其动力响应受上游圆柱尾流的影响较大,但频率比的影响较小.同时,流体力系数在约化速度较小时受雷诺数和频率比的影响较大.另外,下游圆柱的振幅和流体力系数受雷诺数及频率比的影响较大.雷诺数、频率比和约化速度对圆柱流体力系数能量谱密度(PSD)曲线中主峰幅值、频谱成分及波动性的影响较大.流体力系数PSD曲线波动性的增强,导致圆柱运动轨迹会从“8”字形转变成不规则形状.当频率比为2.0时,上游圆柱尾流出现P+S模式,导致其发生非对称运动,且升、阻力系数PSD曲线主峰重合.最后,激励荷载平均功率值随约化速度的变化趋势与对应的结构动力响应的变化类似.在同一约化速度区间内,结构振动响应的强弱与位移的平均功率值成正比.对不同约化速度区间内的升力系数功率谱密度分析时,振动频率比(f_(s)/f_(n,y))对结构振动响应的影响更大.

高雷诺数下串列三圆柱绕流的大涡模拟

三维圆柱绕流的研究主要关注仿真精度,且单圆柱尾涡结构的分析较多,对于串列三圆柱绕流特征的研究较少。使用FLUENT软件对雷诺数为2.25×10^(6)在不同间距比下串列三圆柱的湍流模型进行三维模拟。运用Gambit软件对流场进行建模,并对圆柱临近水域网格进行加密,对串列三圆柱进行三维大涡模拟(LES);取间距比L/D(L为两圆柱间的距离,D为圆柱直径)为1.0、2.0和3.0,选取三维模拟中3个不同切面高度(距离水面0、2.25和4.40 m)研究速度场、压力场和涡量场的湍流特性。结果表明:三维模拟证实了表层的涡量变化显著,在连续圆柱后存在回流区域与间距比有强相关性;同时,3个不同切面的速度场变化较小,压力场变化甚微。

正三角形布置下三圆柱绕流的数值模拟

利用有限体积法和非结构性网格对正三角形排列下的三圆柱绕流进行了数值模拟.取雷诺数Re=100,并考虑4个不同的间距比(1.5,3,5,7),着重研究了间距比对绕流流场特性的影响,结果表明:在小间距比的情形,下游圆柱发生的偏流现象为单稳态偏流;在大间距比的情形,尾流效应使得上游圆柱脱落的剪切层在下游圆柱间上下波动.

温湿度测定箱中三圆柱绕流的数值模拟

利用有限体积法对温湿度测定箱中不同直径的三圆柱绕流进行了数值模拟。通过在测湿球温度铂电阻前端设置速度参考点,并考虑铂电阻不同的布置方式和不同的风速,着重研究了风速仪的布置对测湿球温度铂电阻周围风速场的影响。结果表明风速仪的布置会造成湿球温度铂电阻周围风速呈周期性振荡,尾流效应主导了圆柱间流动的相互作用。

刚性耦合三圆柱流致振动特性和机制

采用迭代式浸入边界法对刚性耦合三圆柱的流致振动进行了数值模拟研究。三圆柱按照等边三角形排列,上游两个并排圆柱,下游一个圆柱。圆柱间距比为P/D=1.0~4.0,雷诺数为Re=100,质量比为m=2,折合流速为U_(r)=3~30。通过研究圆柱的振幅、频率和流体力随折合流速的变化规律,发现了两种不同的振动模式,即小间距比条件(P/D=1.0)下的驰振模式和中、大间距比条件(P/D=1.6~4.0)下的涡激振动模式。而涡激振动模式在不同的间距比条件下又具有单锁定区间(P/D=1.6)和双锁定区间(P/D=2.5~4.0)两种不同振动特征。进一步分析尾流模式,发现第一锁定区间(含单锁定区间)内的振动响应由剪切层重附着机制激发,而第二锁定区间内的振动响应由交替尾涡泄放机制激发。

串列三圆柱绕流的时均压力分布与气动力

运用刚性模型测压风洞试验方法对单圆柱、不同间距串列双圆柱和串列三圆柱绕流的时均压力分布与气动力进行了研究。首先,进行单圆柱模型和不同间距串列双圆柱模型的绕流试验,试验的雷诺数为3.4×104;其次,通过与单圆柱进行对比,讨论了气动干扰对串列三圆柱时均压力分布与时均阻力的影响规律;最后,通过与串列双圆柱进行对比,讨论了圆柱的数量对干扰规律的影响。试验结果发现,串列三圆柱的绕流存在两个完全不同的流态,其切换的临界间距(L/D)cr在3.5~4.0之间,两个流态下的时均压力分布与时均阻力存在明显的差异。本研究可对实际工程中串列圆柱结构的风荷载取值提供参考。

三圆柱定子纵-弯复合模式超声波电机的研制与实验

该文研究了三圆柱定子纵-弯复合模式超声波电机的驱动机理,设计制作了三圆柱定子纵-弯模式的新型结构电机,并进行了实验测试。实验结果表明,该类型电机不但结构简单紧凑,而且具有良好的输出性能,如反应速度快、控制特性好,低速大转矩等,设计达到了预期目标。

层流条件下并列三圆柱涡激振动响应与尾流形态

应用基于嵌入式压强-力迭代的高精度浸入边界法研究等间距并列三圆柱涡激振动。其中,雷诺数Re=100,间距比T/D=2.0～5.0,圆柱质量比m*=2.0,折合流速Ur=2.0～10.0,忽略振动系统的阻尼且三圆柱仅横向振动。研究发现,圆柱的振动响应随折合流速的增加呈现初始响应分支和下端响应分支两种模式;振幅响应出现不连续现象,且随着间距比的增加,该不连续现象对应的折合流速增加;尾流模式与间距比和折合流速密切相关。共发现六种尾流形态,分别为窄宽窄尾流、不规律尾流、反相同步尾流、调制尾流、同相同步尾流和偏斜尾流。总结并绘制了尾流形态在参数空间[Ur,T/D]内的分区图。