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1、柱體繞流是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象,涉及到許多復(fù)雜的流動(dòng)機(jī)理。流體流經(jīng)柱體表面,會(huì)在柱體后方形成交替性的旋渦脫落,旋渦的脫落會(huì)進(jìn)一步在柱體表面產(chǎn)生周期性的脈動(dòng)作用力。當(dāng)柱體為彈性安裝時(shí),這種作用力會(huì)導(dǎo)致柱體產(chǎn)生周期性振動(dòng),稱為“流致振動(dòng)”(Flow-inducedmotion,FIM)。傳統(tǒng)的關(guān)于流致振動(dòng)的研究主要集中在土木建筑工程領(lǐng)域,目的在于抑制或消除流致振動(dòng)的產(chǎn)生,減少流致振動(dòng)引發(fā)的安全問(wèn)題。但流致振動(dòng)也有有利的一面,近年來(lái)基于流致振動(dòng)
2、的清潔能源利用技術(shù)的研究受到了越來(lái)越多的關(guān)注,將流致振動(dòng)與清潔能源利用相結(jié)合,可以對(duì)這種潛在的破壞性現(xiàn)象進(jìn)行有效利用。柱體幾何特征是影響流致振動(dòng)激振力的一個(gè)關(guān)鍵影響因素,但目前截面形狀對(duì)流致振動(dòng)響應(yīng)的影響尚未受到足夠重視。因此,對(duì)不同截面形狀柱體流致振動(dòng)的研究具有非常重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
本文采用數(shù)值模擬為主、實(shí)驗(yàn)為輔的方法,詳細(xì)分析了不同截面形狀柱體在高Re數(shù)(1×104≤Re≤1.2×105)下流致振動(dòng)振幅、頻率
3、以及尾流響應(yīng),并得到了振動(dòng)機(jī)械能輸出功率,對(duì)柱體的能量收集效果進(jìn)行了評(píng)估。探討了截面幾何特征對(duì)柱體旋渦脫落的影響,揭示了不同截面形狀柱體的流致振動(dòng)激勵(lì)機(jī)制,探索改善柱體截面幾何形狀以提高能量收集效果的方法。
本文首先使用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)本文中數(shù)值求解方法的計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,然后對(duì)不同截面形狀柱體的流致振動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬。與光滑圓柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較,本文研究的不同截面形狀柱體都能在更寬的高Re數(shù)范圍內(nèi)獲得更高的振幅。其中所有梯形
4、柱的振幅大小要明顯高于其他截面形狀下的振幅,最大值達(dá)到了4.5D。此外,對(duì)于在流向上不對(duì)稱的不同攻角方柱,方柱的振動(dòng)平衡位置會(huì)偏離系統(tǒng)靜止時(shí)的平衡位置,偏移量在攻角α=20°時(shí)達(dá)到最大。
小攻角方柱(α<10°)、梯形柱、小頂角三角柱(θ=53.13°和θ=60°)繞流的流致振動(dòng)的頻率比遠(yuǎn)低于光滑圓柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這是由于這些柱體都發(fā)生了渦致振動(dòng)(VIV)向馳振的轉(zhuǎn)變。除了上述產(chǎn)生了馳振的截面形狀柱體,本文研究的其他柱體則有著與
5、光滑圓柱相類似的頻率比變化趨勢(shì),隨著Re數(shù)的增加,部分方柱(α≥10°)和菱形柱觀察到了高頻VIV。其中AR=1.0的菱形柱頻率比要明顯高于其他柱體,最大值在Re=120,000時(shí)達(dá)到了4.1左右。
當(dāng)柱體的截面形狀改變時(shí),本文中觀察到了VIV和馳振兩種振動(dòng)模式,總體規(guī)律是:方柱攻角、三角柱頂角的增加以及菱形柱軸比例的減小會(huì)抑制馳振的產(chǎn)生。
方柱的攻角變化對(duì)尾流旋渦結(jié)構(gòu)的影響最為復(fù)雜,當(dāng)Re數(shù)和攻角α變化時(shí),方柱的尾
6、流響應(yīng)可以分成6個(gè)獨(dú)立的區(qū)域,每個(gè)區(qū)域中的旋渦脫落模式都有區(qū)別。相比之下,梯形柱上下底比例d/D的變化對(duì)尾渦結(jié)構(gòu)影響并不大,幾乎只受Re數(shù)的影響。三角柱的尾流旋渦結(jié)構(gòu)會(huì)隨著頂角θ的增加而變得更簡(jiǎn)單,而菱形柱的尾流旋渦結(jié)構(gòu)會(huì)隨著軸比例AR的增加而變得更難以識(shí)別。
本文最后計(jì)算得到了不同截面形狀柱體流致振動(dòng)的機(jī)械能輸出功率,研究發(fā)現(xiàn),方柱和菱形柱的能量收集效果要明顯優(yōu)于其它截面形狀的柱體。其中方柱的攻角α越大,能量收集效果相對(duì)越好
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