耦合四圆柱涡激振动的力特性及水动能获取分析

涡激振动是一种常见的流固耦合现象,结构物振幅较大时,可利用涡激振动从海洋流中或河流中获取能量。通过流固双向耦合数值方法,模拟均匀来流下,弹性支撑刚性连接的耦合四圆柱在不同横向和流向间距比下的横向涡激振动。分析横向和流向间距比对该耦合结构涡激振动时的压力和升力特性及获取能量和能量密度的影响。结果表明:各种组合间距比下,上端两圆柱的升力系数均值CL与下端两圆柱的CL关于CL=0对称,压力系数幅值Ap关于θ=180°对称,但其升力系数均方根值却近似相等;获取的水动能及能量密度随着组合间距比的增加先增加,随后获取能量增加缓慢,而能量密度却不断减少,因此选择合理的横向和流向间距比可从单位水体的海洋流或河流中获取更多的水动能。

影响从涡激振动中获取能量的参数研究

涡激振动是一种常见的流固耦合现象,当结构物振幅较大时,可利用涡激振动从海洋流中或河流中获取能量。通过流固充分耦合数值方法,对二维弹性支撑圆柱体在均匀流中的横向涡激振动进行了模拟。用该数值方法对4种方案进行计算,分析质量比m*、阻尼比ζ、质量阻尼比m*ζ和固有频率fn对圆柱体从涡激振动中获取能量效率η的影响。结果发现m*、ζ、m*ζ和fn都会影响η,且存在一个最优的m*ζ值,使能量获取效率η最大。对基于这一想法的振动系统的设计,其结论可作为参考。

上游扰动条件下尾水管涡带演化和压力脉动研究

尾水管涡带是混流式水轮机流动不稳定的表征,严重时甚至会导致机组疲劳破坏。为准确捕捉不同工况下尾水管内流体流动的瞬态湍流特性,采用滑移网格技术以及SST kω湍流模型,通过现阶段最新进展的Liutex涡识别方法对尾水管涡带进行捕捉并对比分析,着重分析了不同来流对尾水管涡带的形成、发展、破裂和低频压力脉动的影响。结果表明:与文献实验结果的对比,验证了结果的准确性;上游不同来流条件下,尾水管涡带形态各异。最优工况时仅形成一个稳定的旋流结构,即纺锤形涡带,对流场影响较小。流量降低到设计流量的81%时,形成螺旋形涡带,涡带的偏心运动对主流产生了较大干扰作用,涡流、回流和流动分离等不稳定现象明显。由于涡带对主流的排挤作用,造成涡带与壁面之间出现明显的高速区,平均脉动压力系数幅值也比最优工况增加了1.36~4倍,压力脉动呈现出典型的低频、高幅特征;随着开度的继续降低,涡带体积大幅度增加,形成一个较大的空腔涡带,占据流域范围较广,与肘管壁面发生直接“冲击现象”;开度越小尾水管内产生的涡流越杂乱,流场越不稳定,当开度降至最低时,有形涡带消失,破碎后的杂涡充据着整个直锥段和弯肘段。

基于IBM法的低雷诺数下涡激振动高质量比效应的研究

由深圳市赛格广场大厦在低速风场作用下的强烈有感振动事件可知,高质量比系统的振动问题仍较突出。为澄清涡激振动中的高质量比效应,该文采用一种锐利界面浸入边界法,通过C++编程计算了低雷诺数(Re=80~150)流场中,不同高质量比(m*=14.8~280)、阻尼比(ζ=0.0012~0.036)和质量-阻尼比组合m*ζ对涡激振动的影响。结果表明:通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和有效性;在高质量比情况下,Re<100时,结构发生"弱锁定"现象,Re=100~130时,发生传统的"锁定"现象,且发生共振时Re=110,位于锁定区间靠近Re数较小的一侧,当Re=130时,开始摆脱锁定,且升力与振动响应出现"相位突变"现象;m*、ζ对锁定区间的影响并不大,但是质量-阻尼比组合m*ζ相同时,质量比对涡激振动的影响更加显著,即质量比低的结构系统发生涡激振动时的锁定区间更广(Re=90~140),m*=14.8的高质量比系统比m*=148的较高质量比系统提高了1.67倍,而且共振时对应的雷诺数也减小;发生共振时,尾涡脱落均为"2S"模态,最大振幅均为0.5D左右,无太大变化,即高质量比和较高质量比对振幅和锁定区间的影响并不大,但是随着ζ的增加,振幅比Y逐渐减小,振动受到了抑制。

涡激振动驱动的柱群结构集中俘获海流能研究

采用一种结合串列、并列和错列布置的耦合连接五圆柱柱群结构为能量转换器,在不同间距比不同约化速度下,以流固双向耦合数值算法对其进行涡激振动模拟和计算分析。通过对比相同参数条件下单圆柱俘能结构的结果,获得柱群俘能结构集中俘获低速海流能的初步理论。结果显示:在产生共振的约化速度范围内,较大间距比下的柱群俘能结构其振幅和各圆柱压力分布特征与单圆柱俘能结构相似;总升力谱峰值约为单圆柱的3倍;从俘能大小来看,相同约化速度下俘获的水动能P达到单圆柱的4~5倍。研究结果说明共振范围内,柱群俘能结构在较大组合间距比时可集中俘获低速海流能。