圆柱后方柔性分离盘的尾流诱导响应模拟研究

该文基于preCICE开源耦合库,将OpenFOAM-9和deal.ii分别作为流体域和固体域求解模块,结合有限体积法(FVM)和有限元法(FEM)对低雷诺数(Re=160)圆柱背流侧柔性分离盘的尾流诱导响应进行模拟研究,剖析了不同盘长(L/D=2.0~4.0)和无量纲弹性模量(E^(*)=100~5 000)对分离盘动态响应的影响。结果表明:柔性分离盘的摆动变形受盘长和弹性模量的共同控制。圆柱表面分离的边界层在圆柱后方卷曲后,沿分离盘表面迁移,形成的低压区导致柔性分离盘出现周期性变形,最终剪切层被盘尖的摆动切断而脱落。随着盘长的增大,沿分离盘表面出现的局部旋涡数量增多,激发出更高阶的摆动响应。根据柔性分离盘的摆动阶数及是否存在分叉现象(对称破裂),将摆动模式分为五种:对称-Ⅰ型、对称-Ⅱ型、分叉-Ⅰ型、分叉-Ⅱ型和对称-Ⅲ型。分叉作为对称-Ⅰ型和对称-Ⅱ型的过渡模式,其摆动幅度骤降。相较于裸柱,一定刚度范围内的柔性分离盘降低了整体结构的阻力及涡脱频率,但在所研究的刚度范围内,其抑制效果低于刚性分离盘。

圆柱附属刚性与柔性分离盘结构系统的涡激振动及驰振风洞实验研究

近年来该文作者针对圆柱涡激振动控制方法与机理开展了数值模拟和风洞实验研究,获得了一些具有典型意义的认识及涡激振动控制策略。与此同时,研究发现,有的典型涡激振动抑制装置如分离盘和整流罩等在一些条件下会发生比涡激振动更严重更复杂的不稳定现象-驰振,它非常不利于对圆柱涡激振动本身的控制。该文概述近期利用风洞实验开展刚性和柔性分离盘控制涡激振动研究时所观察到的典型特征,揭示了涡激振动以及驰振发生的条件和规律。总体来看,在该文实验条件(质量阻尼比0.19.0.2,约化速度2.38)和材料属性下,长度小于1.0D(D为圆柱直径)的柔性分离盘可以有效控制涡激振动,而大于1.0D的柔性分离盘和刚性分离盘都引发了驰振。对于刚性分离盘,这种驰振比较复杂,与测试条件相关,有的为涡激振动诱发,有的是速度限制激励的,有的是纯粹的驰振且振动强而不停;而柔性分离盘的驰振大多是自发产生的且相对刚性分离盘弱而有限。

柔性分离盘抑制圆柱涡激振动的风洞试验

该文利用附属柔性分离盘对圆柱涡激振动(VIV)控制问题进行了风洞试验研究。针对弹性支撑的圆柱及不同长度柔性分离盘的试验模型,在雷诺数7 500-40 000情况下,测定不同约化速度(3.5-18.7)下的振动瞬态位移。结果表明:柔性分离盘长度(L)/圆柱直径(D)比为0.6、0.8和1三种圆柱的横向无因次均方根振幅远小于单圆柱,涡激振动抑制效果很好,均在77.6%以上,其中L=0.8D的圆柱抑制效果最佳,几乎无振动;而L=1.2D和1.5D的圆柱反而出现振动增强,约4.5%和9%。对比单圆柱的共振区,附属柔性分离盘的圆柱共振区在约化速度上更靠后且范围更大。