三維圓柱繞流及渦激振動(dòng)的數(shù)值模擬.pdf

1、圓柱繞流是指流體繞過置于其中的圓柱體的運(yùn)動(dòng)，它是眾多繞流現(xiàn)象中最為常見和重要的一種，長期以來一直是學(xué)術(shù)界的研究重點(diǎn)，不但因?yàn)樗诠こ碳夹g(shù)中的應(yīng)用最廣，而且研究它也是了解其他鈍體繞流形式的基礎(chǔ)。在一定條件下，當(dāng)流體流經(jīng)圓柱體時(shí)，會(huì)在圓柱體的兩側(cè)發(fā)生交替瀉渦的現(xiàn)象。此時(shí)，由于旋渦脫落會(huì)在圓柱體上產(chǎn)生橫流向及順流向的脈動(dòng)壓力。此脈動(dòng)流體力將引發(fā)圓柱體的振動(dòng)，圓柱體的振動(dòng)反過來又會(huì)改變其尾流結(jié)構(gòu)，渦激振動(dòng)現(xiàn)象便由此產(chǎn)生。當(dāng)圓柱體發(fā)生“鎖定”現(xiàn)象

2、時(shí)，圓柱振動(dòng)的幅度會(huì)劇烈增加，從而導(dǎo)致材料的疲勞甚至結(jié)構(gòu)的損壞，這在工程中會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
　　 本文針對圓柱繞流和渦激振動(dòng)問題，采用Navier-Stokes方程作為不可壓縮粘性流體的控制方程，牛頓第二定律方程作為圓柱運(yùn)動(dòng)的控制方程，利用浸入邊界法建立三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模型通過在笛卡爾網(wǎng)格中的浸入邊界點(diǎn)施加額外的體積力來實(shí)現(xiàn)對圓柱體邊界條件的模擬，方程求解通過迭代的浸入邊界法結(jié)合半分布力法以及壁面函數(shù)

3、共同完成。研究選取Re=100，3900兩種雷諾數(shù)下，對不可壓縮粘性流體中的單個(gè)固定圓柱繞流和彈性支撐圓柱渦激振動(dòng)分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。在對圓柱繞流問題的模擬計(jì)算中得到了流線、流速和渦量的分布圖，壓力系數(shù)，升阻力系數(shù)，Strouhal數(shù)等結(jié)果，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證模型的正確性。在對渦激振動(dòng)問題的模擬計(jì)算中，得到了圓柱的振動(dòng)速度、位移時(shí)程曲線，升阻力系數(shù)，Strouhal數(shù)等結(jié)果，并與圓柱繞流情況下的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。此外，還對大雷諾數(shù)