倾斜流作用下柔性立管涡激振动的数值模拟

针对倾斜角度为60°来流作用下细长柔性立管的涡激振动问题,应用基于浸入边界法的三维水动力并行计算程序Cg LES_IBM,并结合隐式结构动力计算程序X-code,进行了直接数值模拟。研究发现:柔性立管振动表现出明显的驻波特征,绝大部分的振动能量集中在一个窄频段上。两向振动的相位差沿展向周期性变化,在顺流向振动结点处出现180°的相位切换,振动轨迹也对应出现了逆时针和顺时针"8"字形的变化。流体力的时空分布呈现行波和驻波的混合模式。立管大部分处于激励状态,仅在横流向振动结点以下一定范围内处于阻尼状态。倾斜的尾流导致流体力也呈现出一定的行波特征。

不同固有频率比条件下圆柱双自由度涡激振动特性的数值研究

采用RANS方法,结合SST k-ω湍流模型,对不同顺流向与横顺流向固有频率的比值(即固有频率比,fnx/fny)条件下低质量比圆柱体的双自由度涡激振动进行了二维数值模拟。圆柱体的质量比为2.6,雷诺数范围为2 500~18 750,相应的约化速度范围为2~15,包括了经典试验中出现的整个锁定范围。通过研究发现,固有频率比是影响振动特性的重要参数,随着固有频率比的增加,响应幅值逐渐降低且向更高的约化速度偏移;在低约化速度范围内,固有频率比对顺流向和横流向振动之间的相位差以及升力频率有较大影响,从而得到各种不同偏向的8字形轨迹;最后对不同固有频率比条件下的尾涡模式进行了讨论,给出了对应不同约化速度时的尾涡模式。

平动与转动受迫谐振圆柱的水动力特性分析

通过求解二维不可压缩黏性流体的Navier-Stokes方程,对低雷诺数下圆柱同时具有周期性旋转和横流向振动的流固耦合问题开展了数值分析研究。重点考察了不同强迫振动频率(f*([0.5,2.0])以及转动与平动之间的相位差(φ=±180°,±120°,±60°及0°)下,圆柱结构的受力特性、锁定模式及尾迹涡流场演化特征。数值分析结果表明,在周期性转动和平动的联合激励下,流动过程除存在常规的基本锁定(Primary Lock-in)现象外,还存在非线性准周期锁定(Quasi-periodic Lock-in)现象;旋转运动与横流振动之间的相位差φ对锁定形式及锁定的频率区间有重要影响,对称的正负相位差可导致高度一致或截然不同的锁定形式;两自由度谐振圆柱的水动力系数在锁定条件下会发生明显跳跃,总体上随强迫振动频率的增大而增大;对于特殊的准周期锁定情况,尾迹区内存在涡旋结构的多级次非线性分叉行为,尾涡演化过程遵循准周期特性。

基于旋转杆的低雷诺数SD7003翼型流动控制研究

为了研究翼型边界层内旋转杆对SD7003翼型的尾涡模式和气动特性的影响,本文基于高精度的谱单元方法,对α=4度及Re=5000下SD7003翼型进行直接数值模拟。通过改变旋转杆在边界层内的位置和转速比,发现SD7003翼型的4种尾涡脱落模式,结合对SD7003翼型升力系数的频谱分析,详细统计了旋转杆不同位置和转速比下的翼型尾涡模式,揭示了旋转杆能推迟甚至抑制边界层流动分离以及翼型尾涡模式随旋转杆的变化规律;根据对SD7003翼型气动特性的量化分析,发现平均升力系数最大可提高114%,平均阻力系数最大增加88%。增加转速比后,平均升力系数最大提升44%,升阻比提升幅值为56%。旋转杆对SD7003翼型有较好的控制效果,为低雷诺数下翼型的边界层控制提供方法和思路。