方柱繞流渦激振動(dòng)及控制方法的數(shù)值研究.pdf

1、近年來,超高層、超大跨度建筑不斷涌現(xiàn),結(jié)構(gòu)體與流體之間的流固耦合問題成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。渦激振動(dòng)是在實(shí)際工程領(lǐng)域中的常發(fā)現(xiàn)象,并會(huì)在不利條件下造成結(jié)構(gòu)坍塌,甚至引發(fā)災(zāi)難性事故。因此,對(duì)渦激振動(dòng)的流動(dòng)機(jī)制及其流動(dòng)控制方法研究的重要性可見一斑。本文通過計(jì)算流體力學(xué)方法,對(duì)層流狀態(tài)下雷諾數(shù)Re=200的彈性支撐方柱的渦激振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并通過采用截面優(yōu)化的被動(dòng)控制方法進(jìn)行流動(dòng)控制。
　　文中的流場(chǎng)計(jì)算使用了基于有限體積法的計(jì)算方法

2、,通過求解不可壓縮粘性流體Navier-Stokes方程獲得流場(chǎng)數(shù)據(jù);把柱體的振動(dòng)模型簡(jiǎn)化為彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng),采用 Newmark-β方法求解柱體振動(dòng)響應(yīng)方程,實(shí)現(xiàn)了交替計(jì)算流場(chǎng)分布和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的流固耦合計(jì)算,從而對(duì)彈性方柱的渦激振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　本文研究了均勻來流下單自由度彈性固定方柱的渦激振動(dòng),選取頻率比范圍為 fn/fs=0.5~3.5。分析了方柱的升阻力系數(shù)、位移振幅等參數(shù)隨頻率比的變化情況以及尾渦模態(tài)特征,捕

3、捉到了“拍”“相位開關(guān)”等現(xiàn)象,并討論了不同質(zhì)量比對(duì)渦激振動(dòng)的影響。研究結(jié)果表明:當(dāng)頻率比較小時(shí),出現(xiàn)馳振,方柱振幅很大;隨著頻率比的增大,振動(dòng)由馳振轉(zhuǎn)為渦激振動(dòng),在渦脫落引起的共振區(qū)再次出現(xiàn)振動(dòng)峰值;頻率比繼續(xù)增加,結(jié)構(gòu)剛度增大,位移振幅趨近于零,且升力、阻力系數(shù)的值接近靜止方柱繞流情況。質(zhì)量比大的方柱,得到的氣動(dòng)力及流場(chǎng)特性變化規(guī)律與小質(zhì)量比相似,但結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值更小。在不同頻率比下觀察到了多種渦脫落模態(tài),各種模態(tài)之前存在相互轉(zhuǎn)化。<