方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟
第35卷 增刊(I) 东南大学学报(自然科学版) V ol.35 Sup(I) 2005年7月JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition) July 2005
方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟
徐枫欧进萍
(哈尔滨工业大学土木工程学院, 哈尔滨 150090)
摘要: 为了研究二维刚体方柱的涡激振动和非定常绕流, 利用计算流体力学软件Fluent6.0, 引入雷诺应力模型求解不可压粘性流体Navier-Stokes方程, 将Newmark-β方法的代码嵌入用户自定义函数(UDF)同软件连接来求解方柱的动力响应. 用分块的方法建立初始网格, 方柱和流场的耦合作用通过Fluent的动网格技术来实现, 进行雷诺数从7000到42000范围内的模拟. 得到静止方柱的升阻力系数和涡脱频率, 其中雷诺数为22000结果与试验一致; 同时得到方柱振动的位移和速度时程, 以及“频率锁定”、“拍”和锁定段的位移“失谐”现象.
关键词: 方柱; 涡激振动; 分块网格; 动网格; 频率锁定和失谐
中图分类号: O357.1 文献标识码: A 文章编号: 1001-0505(2005)增刊(I)-0035-05
Numerical simulation of unsteady flow around square cylinder
and vortex-induced vibration
Xu Feng Ou Jinping
(School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)
Abstract: To study the vortex-induced vibration phenomena and the unsteady flow of the two-dimensional rigid square cylinder, this paper uses the general software of computational fluid dynamics—Fluent6.0 and Reynolds stress model to solve the incompressible viscous fluid Navier-Stokes equations. The dynamic response of square cylinders is solved by embedding the code of Newmark-βmethod in user defined functions of Fluent6.0. Furthermore, the initial mesh is built by adopting the domain decomposition method and the coupling between square cylinder and flow field is realized through the dynamic mesh of Fluent6.0 when the Reynolds number ranging from 7000 to 42000. The lift coefficient, drag coefficient and the vortex shedding frequency of the static square cylinder are obtained successfully, which agrees well with the experiment when the Reynolds number is 22000. The time history of the square cylinder’s vibration displacement and velocity is gained, and the “lock-in”, “beat”
phenomena and the displacement’s “detuning” phenomena in the locked field are also acquired.
Key words: square cylinder; vortex-induced vibration; decomposed mesh; dynamic mesh; lock-in and detuning
涡激振动是工程领域中常见的流固耦合问题. 许多实际工程问题经常遇到旋涡脱落诱发流体动力荷载和结构振动耦合的问题, 而且会使旋涡脱落频率锁定在结构振荡频率上, 造成很大升力和阻力系数以及产生更大的振荡幅度, 造成工程结构失效或损坏. 现有研究成果大多是通过实验得到, 这方面的数值计算处于初级阶段, 而且多数研究是静止或者是做已知振动物体与流场的耦合分析, 只有少数工作是用数值方法来研究流体与结构的耦合振动: 李广望[1]采用ALE有限元法求解圆柱的涡激振动, 结合分块耦合方法, 令圆柱外围一块变形而其余分块不动, 提高了计算的效率, 但是ALE方法由于对物体表面和远场边界描述观点的不同而使物体在运动中容易引起计算网格发生畸变[2], 其圆柱表面附近网格的正交性也收稿日期：2005-05-18.
基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2001AA602023).
作者简介：金祖权(1977－), 男, 博士生, jinzuquan@https://www.sodocs.net/doc/d28141541.html,; 孙伟(联系人), 女, 教授, 博士生导师, sunwei@https://www.sodocs.net/doc/d28141541.html,.
36 东南大学学报(自然科学版) 第35卷 很难保证; 刘松[3]等人采用动坐标系下动网格和外围惯性坐标系下静网格相结合, 中间用一层可变形网格来连接, 这样可以使圆柱表面和外边界网格都保持良好正交性, 但是不足之处是圆柱的振荡幅度受到了限制; 文献[4]用离散涡的方法研究方柱的涡激振动; 曹丰产[5]采用动坐标系下的流体控制方程, 整个计算域网格随圆柱运动而无需变形, 同时还求解了方柱在低雷诺数下的涡激振动[6]. 本文利用计算流体力学软件Fluent6.0, 通过分块网格既保证了方柱周围网格的正交性, 也突破了振荡范围的限制, 进行高雷诺数下方柱的非定常的绕流计算和涡激振动的数值模拟. 方柱和流场的耦合作用通过动网格来实现, 求解柱体的振动方程用Newmark-β方法, 网格的运动和方柱动力响应通过用户自定义函数UDF(user defined functions)与Fluent 连接来实现.
1 数值计算方法
1.1 控制方程
计算风工程中, 钝体绕流问题控制方程是粘性不可压N-S 方程. 在直角坐标系下, 基于雷诺平均的连续性方程和动量方程分别为
0i i u x ?= (1)
()()()i i i j i j j i j j
u u p u u u u t x x x x ρρμρ?????
′′+=?+?????? (2) 式中, i, j =1, 2; 空气的密度3
kg/m 225.1=ρ, 动力粘性系数5
1.789410kg m s μ?=×?.
柱体振动的控制方程为
2
002obj obj obj l y y y F m ξωω++=&&& (3) 式中,
ξ, 0ω分别为质量弹簧系统的阻尼比和圆频率; m 为柱体的质量; l F 为柱体受到的升力; obj y ,
obj y &, obj y &&分别为柱体的位移、速度和加速度.
方柱周围的流场利用Fluent6.0的分离求解器求得, 采用雷诺应力模型, 壁面用非平衡壁面函数来考虑流动产生的分离等特征; 采用SIMPLE 算法解决动量方程中速度分量和压力的耦合问题; 计算中动量、湍流动能、耗散率和雷诺应力项均采用二阶格式.在流固耦合计算的每一个时间步内, 先求解流体控制方程, 得到速度场、压力场以及作用在柱体上的升力l F , 通过UDF 来提取升力并带入柱体振动方程(3)右端项用Newmark-β方法求得柱体的动力响应, 将柱体的速度通过Fluent 的动网格宏DEFINE_CG_MOTION 进行传递使网格获得速度, 然后令速度与时间步相乘来逼近Newmark-β的计算位移来得到网格位置的更新, 待网格迭代收敛后, 整个流场更新完毕从而开始下一个时间步的计算, 如此循环得到计算结果. 通过对数据跟踪, 发现了流体计算和柱体振动存在时间差为一个时间步大小, 文献[5]有提及, 因此时间步长要足够小, 本文计算取5ms.
1.2 模型与计算区域
将方柱横向振动简化为质量-弹簧-阻尼系统. 计算区域如图1所示, 方柱中心距上游边界15D , 距下游边界35D , 距离上下边界分别为10D , D 为与来流方向垂直的方柱边长, 本文计算取0.1m. 如图2所示, 整个流域划分为4项
.
图1 计算域与模型 图2 网格分区图
1.3 边界条件的设定
进流面: 采用速度入口边界(velocity inlet), 湍流强度设置为5%, 根据湍流强度利用经验公式计算来
增刊(I) 徐 枫等: 方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟 37 流的湍动能和耗散率; 出流面: 认为出流接近完全发展, 采用完全发展出流边界条件(outflow); 上下边界: 采用自由滑移的壁面, 即为对称边界条件(symmetry); 方柱表面: 定义为壁面(wall), 方柱的运动速度通过UDF 中的动网格的宏来定义.
2 计算结果
2.1 固定方柱绕流模拟
对于单体绕流, 流场在很大程度上依赖于Re 的大小. 本文利用Realizable k-ε模型和RSM 模型分别对Re =22000的方柱进行绕流模拟, 计算得到升力系数l C 、阻力系数d C 时程、反应旋涡脱落频率的Sthouhal 数St 和阻力的无量纲主频, 二者比较结果见图3, 并与文献和试验结果相符(见表1).
(a)升力系数时程曲线 (b) 阻力系数时程曲线
(c) Sthouhal 数 (d)阻力的无量纲主频
图3 Realizable k -ε模型和RSM 模型气动力参数时程及幅值谱图
表1 单方柱绕流结果
从图3可看出: RSM 模型得到的阻力系数脉动效果明显好于Realizable k-ε模型, 说明了雷诺应力模型在预测方柱附近边界层和剪切流的优越性; 2种模型的升力系数有差异, 升力系数均值接近0且幅值绝对值相等, 说明网格良好的对称性; 从幅值谱图来看, 2种模型的阻力无量纲主频与Sthouhal 数精确满足2倍关系, 再现了试验中观察到的结果, RSM 模型得到的St 要大一些, 更接近试验的结果. 2.2 方柱涡激振动
方柱的横风向涡激振动参数设置为质量1kg, 阻尼比为0.005, 弹簧刚度为760.832kg/s 2, 使模型的固有频率0f ＝4.39Hz 和Re ＝22000下固定方柱涡脱频率接近. 文中计算了雷诺数从7000到42000范围内的
本文
文献[7] 试验 Re =22000
Realizable k -ε
RSM
RSM LES D. A. Lyn C d 1.622 2.059 2.15 2.18 2.05
Sthouhal 数 0.1166 0.13700.1360.1340.135 阻力无量纲主频
0.2332 0.2740
－
－
0.27
38 东南大学学报(自然科学版) 第35卷 涡激振动, 相应来流速度U 的折算风速为r n V U f d =分别为1.58, 3.15, 4.05, 4.95, 5.40, 5.85, 6.30, 6.53, 6.75, 7.88, 9.45, 相应风速下的固定方柱的涡脱频率为n f =1.4993, 2.9220, 3.6651, 4.4053, 4.7840, 5.1519, 5.5278, 5.7116, 5.8551, 6.7351, 7.9975Hz. 从模拟的结果来看: 方柱与流场在耦合情况下的旋涡脱落频率比方柱固定情况下的旋涡脱落频率要稍低一些; 当0n f f =1.004～1.3010时, 观察到了明显的“锁定”现象, 即振动方柱的涡脱频率w f 近似等于0f , 位移幅值曲线只有一个峰值. 图4给出了频率比为1.2592时的结果, 此时固定方柱的涡脱频率为5.5278Hz, 从位移幅值曲线可以看出其峰值为4.3556Hz, 此时由升力系数得到的涡脱频率为4.3597 Hz, 二者数值接近, 说明此时涡脱频率被锁定在方柱固有频率附近.
(a) 位移边长比时程 (b) 幅值谱图
图4 频率比为1.2592位移边长比时程及幅值谱图
当0n f f =1.3337时, 方柱的位移曲线出现了“拍”, 位移幅值谱图存在2个峰值, 分别对应固定绕流涡脱频率和结构固有频率. 说明此时位移在高频振荡的同时也存在着低频调制, 升力和阻力系数同样也存在这样的现象. 图5给出了频率比为1.3337的结果. 当频率比为1.5342时, 位移曲线的幅值明显下降, 并且位移幅值谱图只有一个幅值, 其数值远离方柱的固有频率, 说明计算已稳定, 此后的涡脱频率同方柱固定情况相近. 频率比小于1的规律与此相同.
(a) 位移边长比时程 (b) 幅值谱图
图5 频率比为1.3337的位移边长比时程及幅值谱图
图6给出了振动方柱的涡脱频率与固有频率比0w f f 随频率比0n f f 的变化曲线, 从曲线可以观察到明显的“锁定”现象. 锁定阶段外的涡脱频率基本为线性的, 这也可以说明模拟结果的准确. 图7为各种来流风速下的位移幅值随着0n f f 的变化曲线, 可见最大位移幅值并不是出现在涡脱频率n f 与固有频率0f 相等处, 文献[8]中这种现象称为“失谐”, 并记载试验中发现此最大值出现在频率锁定段的中部; 本文的模拟结果同样得到这种现象, 但是最大位移幅值靠近频率锁定段的右端.
增刊(I) 徐枫等: 方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟39
图6 方柱涡脱频率随f n / f0的变化图7 方柱位移幅值随f n / f0的变化
3结论
本文利用计算流体力学软件Fluent6.0, 将求解结构动力响应的Newmark-β方法代码嵌入软件的用户自定义函数的新方法, 仅用Fluent进行二维刚体方柱的涡激振动研究, 成功得到了高雷诺数下的锁定、拍和位移失谐的现象; 同时得到和试验结果一致的固定方柱绕流的结果. 柱体的振动用Fluent动网格技术来实现, 同时利用滑移网格技术来处理动静网格的交界; 采用分块网格减少了网格数量, 既保证网格的正交性, 也突破了振荡范围的限制, 同时提高了计算效率. 所得结果证实了程序的正确性, 可以进行其他断面和具有复杂边界结构的非定常绕流和涡激振动研究.
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高层建筑涡激共振的危险性
摘要：本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，针对矩形超高层建筑涡激振动的“锁定”状态，提出了两种改进的广义范德波尔振子模型，即igvpo-1和igvpo-2，前者适用于“锁定”风速范围内任一折算风速对应的位移响应幅值的预测，后者适用于“锁定”时最大位移响应幅值的预测。最后，结合气弹模型风洞试验测试数据，实现了对两模型中气动参数的拟合。 关键词：高层建筑；涡激共振；危险性 一、关于涡激共振 当风从非流线型的高层建筑结构构件吹过时，气流就从构件表面剥离，在尾流中产生交替的涡流。当涡流从高层建筑结构构件脱离的频率和建筑结构构件的固有频率一致时，就会发生涡激共振。涡激共振(vortex-excitedoscillation)是一种只在某一风速区域内发生的有限振幅振动，最大振幅对阻尼和断面形状有很大的信赖性，一般发生在比较胖的如圆形断面和宽高比b/d=3以下的矩形断面上，而高层建筑中多采用b/d＞3，因此，涡激共振不是一种危险性的发散振动，能通过增加阻尼或者安装适当的整流装置将振幅限制在可以接受的范围内。 二、高层建筑涡激共振锁定模型建立的基本假定 高层建筑受强风振动的影响，所表现出来的气动力极其复杂，这同时也与建筑几何外形、地理原因、风速和振动幅度等因素息息相关，并随着这些因素的变化自身也呈现出许多非线性特征。考虑到来流会在迎风面角点产生分离，导致高层建筑侧面风压长时间停滞在绕流场的尾流区，这就使得在研究建筑侧面风压合力的形成机理和作用机制时，需要考虑的因素极多。因此，我们在分析此类问题的时候，经常会按照普通情况下，认为高层建筑矩形截面横风向气动力是简单地由下面面部分线性组合而成： 第一部分：受到建筑流场与结构振动两者的相互作用，而形成的气动弹性力(motion induced force)，该作用力是建筑结构是为了改变气流流动，从而在建筑走位产生的附加气动力。 第二部分：高层建筑结构静止时，其受到横向气动力荷载作用，我们可以将之看做是是两个方向的横风向荷载的叠加，即来流中侧向紊流产生的荷载，与静止结构尾流中的旋涡脱落而产生的荷载。如果建筑结构处在涡振“锁定”状态，那么横风向结构振动与涡激力的影响作用将大幅度提升，这时候横风向的振动反应会远远超过顺风向，而相比与前面提到的气动弹性，横风向的气动力比小之又小，几乎可以完全忽略。 三、气弹模型风洞试验对加强高层建筑抗风稳定性的作用 针对高层建筑涡激共振“锁定”的特征，本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，建立了基于超高层建筑气弹模型风洞试验数据的两种改进的广义范德波尔振子模型，简写为igvpo-1和igvpo-2。使用这两种改进的广义范德波尔振子模型能够预测出高层建筑基本振型发生共振锁定时，锁定风速范围内任一风速下的涡振位移响应幅值和最大位移响应幅值，将这两种模型预测值与风洞试验测量值进行比较，结果表明本文提出的这两种理论模型均具有较高的精度。与此同时，笔者还根据高层建筑气弹模型风洞试验所得出的相关数据，对各式各类的斯克拉顿数结构涡激共振提出了预测“锁定风速范围”的计算公式，限于篇幅，此处不表。下图为高层建筑气弹试验模型。 高层建筑结构在风荷载作用下很容易发生静力失稳(扭转发散、横向屈曲)和动力失稳(颤振和驰振)以及风致限幅振动(抖振和涡激共振)。因此设计中除应对高层建筑的静力稳定性、颤振稳定性以及抖振响应作必须的理论分析，还应以模型风洞试验加以佐证。高层建筑的风
涡激振动方法的
科技信息 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第9期0引言 结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义[1]。例如，涡 激振动可以引起热交换器管的振动；涡激振动还影响上升管道将石油 从海底运输到岸上的动力；涡激振动对于工程结构设计具有重要意 义，例如桥梁、大烟囱，还有船舶和陆地车辆的设计；并且涡激振动还 能引起海洋中的绳索结构的大幅度振动。关于涡激振动的众多问题中 的这几个事例是非常重要的。1研究涡激振动的目的 研究流体涡激振动的目的总的来说就是研究许多对于一般的流 激振荡和对于特殊的涡激振动的影响因素，并且通过物理和数值试 验，理论分析和物理的角度指导设计数据的获取。研究流体涡激振动 的最终目的是为了理解，预测和防止涡激振动（最好是没有阻力的情 况），一部分就像研究在工业中较为关注的流体-结构耦合一样通过 基础的直接数值模拟（DNS 谱方法），通过获得尽可能多的Navier- Stokes （N-S ）数据点（控制参数在期望范围内），还有一部分通过采用 雷诺时均Navier –Stokes 方程（RANS ）,大涡模拟（LES ）（用改进的亚格 子尺度模型），和他们的各种结合来研究。数值模拟方法是受到全新的 测量和流体的流动显示技术的指导和启发，主要是无干扰技术：数字 粒子图像测速技术(DPIV),激光多普勒测速技术(LDV)，TR-PIV ，压敏 涂料，智能材料和其他一些在未来几年一定会出现的手段。这些技术 与大规模的基准实验必定会增强对于采用非常大雷诺数的数值模拟 实验的指导作用[2]。2涡激振动的实验研究 从根本上说，有两种方法用来研究漩涡脱落引起的振动的影响。 第一种方法，通过分析作用在安装在水中或风洞中的圆柱的强迫振动 得到结果。第二种方法，漩涡脱落与物体振动之间的相互作用是通过 直接研究安装在弹性基础上的圆柱得到的，即自激振动。这个基座使 用可调弹簧与阻尼器做成的。事实上，第二种选择是试图直接研究涡 街脱落现象的方法。从另一方面说，第一种方法就是一种分析漩涡脱 落与结构体的振动之间的相互作用的间接方法。 以上两种方法中的每一种方法都有优点和缺点。采用安装在弹性 基底上的圆柱显示激励与系统响应之间的非线性作用的证据。然而， 需要测量和分析的参数的数目显著增加，意味着解释实验结果比较困 难。当采用强迫振动研究时，参数的数目较少，并且在涡激振动的实际 问题中观察到的一些特征可能不出现。可能出现的问题是：圆柱受迫 振动的实验在什么样的条件下相当于安装在弹性基底上的圆柱的实 验。另外，在什么条件下自由振荡的圆柱体可以发生受迫振动？要回答 上面的问题，就必须研究涉及流体振荡相互作用的能量转移的方向： 是从流体转移到物体上或是从物体转移到流体中。众所周知，能量的 转移和力与物体位移之间的相位角有关[3]（e.g.Morsea and Williamson,2006;Morsea,et al.,2008）。 流体流过圆柱后自由振动，这是被观察到的同步的或锁定的现 象。对于低流速的情况，涡旋脱落频率f vs 将与固定圆柱的振动频率f st 相同，即，f st 是由斯特劳哈尔数决定的。随着流速的增加，涡街脱落频率接近圆柱的振动频率f ex 。在这种水流状态下，涡街脱落频率不再随着斯特劳哈尔数变化。反而，涡街脱落频率变得逐渐“锁相放大”到圆柱的振动频率（即，f st ≈f ex ）。如果涡旋脱落频率接近圆柱通常情况下的固有频率f n ，在锁相放大状态下观测到大型物体运动（结构经历近共鸣振动）。 图1安装在弹簧上的圆柱体在空气中自由振动的响应和尾迹特征 同样众所周知的是结构振动接近共振区域时振幅变化和频率捕获可能存在滞后特性—不管是在低速的流体或者是高速流体[4]（Sarpkaya,1979）。滞后回线的两个分支分别与不同的涡旋脱落方式有联系，并且这些分支之间的转变与在0~180°的相位跃变有关系[5]（Krenk and Nielsen,1999）。图1所示为自由振动的小阻尼圆柱结构在锁相放大区域的经典响应[6]（Feng ，1968）。滞后效应在可以清晰地看出，当速度的减少超过一定的范围会获得较高的振幅。同样可以看出涡旋脱落频率和物体振动频率都衰减至接近圆柱体固有频率时发生锁相放大现象。直线St =0.198是代表常量斯特劳哈尔数的线。对于长的、刚性或柔性结构（例如，海洋立管），实际上结构在其整个长度上的频率趋向于多样化的现象更加的复杂。反过来,这产生了预测值最接近实际值的额外的和全方位的流体载荷。当不存在任何同步（锁相放大）时，引射流体载荷和结构以各自的频率振荡。3涡激振动的数值模拟 在相对小雷诺数情况下，流体绕过圆柱体经受（特别是Re=100-1000的时候）涡激振动的数字模型应用在流体力学的一些难题时非常的复杂，例如分离层的扰动，剪切层的不完全转变，基于尾迹附近动力学与涡旋结构动力学之间的尚无法解释的耦合机理的相干长度。对于雷诺数不超过大约15000至20000的情况，大多数实验研究与数值模拟之间的不同归功于向湍流转变的界线的平均位置没有达到足够的上游，即使涡激振动具有二自由度可能会促使不稳（下转第238页） 涡激振动研究方法的探讨 房建党 （上海海事大学物流工程学院，中国上海201306） 【摘要】涡激振动（VIV ）的内容是若干学科的综合，结合了流体力学、结构力学、振动、计算流体力学（CFD ）、声学、小波变化、复杂的解调分析、统计学和智能材料。结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义。涡激振动的研究方法主要有三种：实验研究，数值模拟和半经验公式，这儿我们主要研究涡激振动的实验研究方法和数值模拟。 【关键词】涡激振动；目的；实验研究；数值模拟 【Abstract 】The subject of VIVs is part of a number of disciplines,incorporating fluid mechanics,structural mechanics,vibrations,computational fluid dynamics (CFD),acoustics,wavelet transforms,complex demodulation analysis,statistics,and smart materials.Vortex-induced vibration (VIV)of structures is of practical interest to many fields of engineering.There are three methods on vortex -induced vibration ：Experimental,Numerical simulations,semi-empirical formula,and now we mainly introduce Experimental studies and Numerical simulations on vortex-induced vibration. 【Key words 】Vortex-induced vibration ；Objective ；Experimental ；Numerical simulations 作者简介：房建党（1988，9—），男，汉族，安徽砀山人，上海海事大学在读研究生，机械设计及理论专业，研究方向为港口与海洋装备工程 。 ○高校讲坛○216
圆柱横向涡激振动数值模拟研究
圆柱横向涡激振动数值模拟研究 摘要：以弹性支撑的刚性圆柱体为研究对象，基于k-w SST湍流模型对亚临界状态下的（Re=10000）圆柱横向涡激振动进行数值模拟，探讨单向流体对圆柱横向涡激振动的影响。研究圆柱横向涡激振动现象的产生以及边界层对涡激振动的影响，同时观察该工况下圆柱尾流中漩涡脱落形态，从而验证已有的相关理论。 关键词：涡激振动；边界层；漩涡脱落 1.引言 圆柱涡激振动（V ortex-Induced Vibration，简称VIV）存在于实际工程中的许多领域，特别是随着海洋石油的发展，海洋管道涡激振动而疲劳失效问题越来越受到人们的关注。过去的几十年，国内外许多专家学者对圆柱涡激振动进行了持续不断的研究，并取得了大量的研究成果。Williamson & Govardhan.R [1-6]等人在其综述中对近些年来圆柱涡激振动研究所取得的进展做了详细的阐述。 本文通过将圆柱简化成二维的质量阻尼弹簧系统，建立数值模型，研究单向流动下圆柱横向涡激振动的动力响应及圆柱尾流场中漩涡脱落的过程。基于CFX 软件，采用k-w SST湍流模型对亚临界状态下（Re=10000）圆柱横向涡激振动进行数值模拟研究。 2.控制方程 2.1 流体控制方程 粘性流动的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）连续性方程： 其中：是流体密度；t表示时间；V表示笛卡尔坐标系下的速度向量场；u、v、w分别表示流体在x、y、z方向上的速度；表示笛卡尔坐标系下的向量算子 2.2圆柱运动控制方程 将圆柱简化成质量阻尼弹性系统，只考虑圆柱在垂直与流向的升力作用下，系统的控制方程： 其中m为圆柱体的质量；c为结构系统的阻尼系数；k为弹簧的刚度系数；表示作用在圆柱上垂直于流向的力，即横向升力 3.计算模型设定 计算域的设定及网格模型如图3.1a所示，流体域的左侧为inlet边界，单向
两自由度圆柱体的涡激振动
www.elsevier.nl/locate/jnlabr/yjfls Journal of Fluids and Structures 17(2003)1035–1042 Special Brief Note Vortex-induced vibration of a cylinder with two degrees of freedom N.Jauvtis,C.H.K.Williamson* Mechanical and Aerospace Engineering,Cornell University,252Upson Hall,Ithaca,NY 14853,USA Received 2July 2002;accepted 21March 2003 Abstract In this work,we study the response of an elastically mounted cylinder,which is free to move in two degrees of freedom in a ?uid ?ow,and which has low mass and damping.There has been a great deal of work concerned with bodies restrained to move in the direction transverse to the free stream,but very few studies which comprise motion in both the transverse (Y )and in-line (X )directions.In such cases,it has generally been assumed that in-line response would dramatically change the character of the wake vortex dynamics as well as the transverse body response.We ?nd in the present work that,surprisingly,the freedom to move in two directions has very little effect on the transverse response,the modes of vibration,or the vortex wake dynamics (for a body of similar low mass ratio (relative density)in the range m n ?5225).For low values of normalised velocity (U n B 224)below the classical synchronisation regime for transverse response,we ?nd two in-line vibration modes,which are associated with symmetric and antisymmetric vortex wake modes,corresponding well with the modes discovered by Wooton et al.and by King for a ?exible cantilever.Coupled with a parallel effort by D.O.Rockwell’s group at Lehigh,these experiments form the ?rst such studies in which both the oscillating mass and the natural frequency are precisely the same in the X and Y directions.A principal conclusion from this investigation is that it demonstrates the validity,for bodies in two degrees of freedom,of employing the existing comprehensive results for bodies restrained to vibrate only in the transverse Y -direction,even down to low mass ratios of m n ?5: r 2003Elsevier Ltd.All rights reserved. 1.Introduction Vortex-induced vibration of structures is of practical interest in many branches of engineering,for example in aeroelastic applications where the ?uid is air,yielding mass ratios m n of order 100(m n =mass of oscillating structure/displaced ?uid mass),or in hydroelastic applications in water,where m n is of order 1or 10.In most practical cases,cylindrical structures (such as riser tubes or heat exchangers;to name two examples)have a mass ratio,which is the same in both the streamwise (X )and transverse (Y )directions,and the same natural frequencies in these two directions.Contrasting with previous studies,we therefore focus on a design which ensures similar mass and similar frequencies in these two directions,and we introduce the resulting pendulum apparatus later in Section 2. The problem of vortex-induced vibration of cylinders free to respond transverse to the ?uid ?ow has been well studied,and several reviews discuss this problem [see Sarpkaya (1979);Bearman (1984);Naudascher and Rockwell (1993);Sumer and Fredsoe (1997),for example].The work of Feng (1968)at high mass ratios,m n ?320;demonstrates that the resonance of a body,when the oscillation frequency coincides with the vortex formation frequency,will occur over a regime of normalised velocity U n (where U n ?U =f N D ;f N ?natural frequency;D ?diameter)such that *Corresponding author. E-mail address:cw26@https://www.sodocs.net/doc/d28141541.html, (C.H.K.Williamson). 0889-9746/03/$-see front matter r 2003Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/S0889-9746(03)00051-3
小雷诺数下圆柱绕流数值模拟
第２期（总第２１３期） ２０１９年４月机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２ Ａｐ ｒ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１９）０２－００８７－０ ２小雷诺数下圆柱绕流数值模拟 凌 杰，王 毅 （陆军军事交通学院镇江校区，江苏 镇江 ２１２００３ ）摘要：应用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ对小雷诺数（２０≤Ｒｅ≤３００）下的圆柱绕流进行仿真计算，采用有限体积法、层流模型求解不可压缩的Ｎ－Ｓ方程，计算了二维圆柱绕流的水动力学特性。分析尾涡的形态随着雷诺数不断增加的变化情况，并研究升阻力因素、Ｓｔ数及壁面分离角等参数随雷诺数的变化。关键词：圆柱绕流；小雷诺数；层流模型；Ｆｌｕｅｎｔ 中图分类号：ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ａ 收稿日期：２０１８－１０－０８；修订日期：２０１９－０１－３ ０作者简介：凌杰（１９９０－） ，男，江苏镇江人，助教，硕士，研究方向：船舶流体力学性能。０ 引言 流体流过钝头体时其绕流及尾流的相互干扰有着广泛的工程应用背景，在日常生活中可以见到的此类例子有烟囱、天线、桥墩、蜂鸣电话的电话线和汽车无线电车载天线在气流中的振动等。近一个世纪以来，圆柱绕流一直是众多理论分析、实验研究及数值模拟的对象，但迄今对该流动现象物理本质的理解仍是不完整 的［１－ ２］。本文应用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ对小雷诺数（２０≤Ｒ ｅ≤３００）下二维圆柱绕流进行数值模拟，采用有限体积法、分区结构化网格以及层流（Ｌ ａｍｉｎａｒ）模型求解Ｎ－Ｓ方程，模拟不同雷诺数下涡的产生、发展、脱落过程，并探究升阻力等参数的变化情况。１ 计算模型１．１ 模型及网格划分 在本文的研究目标中，设定圆柱的直径Ｄ＝０．０２ｍ，流体域的计算区域设定为４０Ｄ×２０Ｄ的矩形区域。为了消除边界对流场的影响，流体进口距圆柱中心取１０ Ｄ，流体出口距圆柱中心取３０Ｄ，上、下壁距圆柱中心均为１０Ｄ。 为了提高计算精度，保证收敛速度，对圆柱周围进行局部 加密，该区域大小为１０Ｄ×１０Ｄ［３］ 。计算模型及网格划分 结果如图１所示。 图１ 计算模型及网格划分结果 １． ２ 数值模拟方法圆柱周围的流场利用Ｆｌｕｅｎｔ求得， 采用有限体积法和ＳＭＰＬＥＣ算法求解非定常流动， 时间离散采用二阶隐式格式，空间离散采用二阶迎风格式。进口边界条件为速度入口，入口速度设置见表１；出口边界条件为自由出口；上、下壁以及圆柱面为固壁边界，即无滑 移、无穿透［４］ 。２ 计算结果分析２．１ 不同雷诺数下的涡量图和流线图谱 分别在Ｒｅ＝２０、Ｒｅ＝６０、Ｒｅ＝２００三种具有代表性雷诺数下，通过涡量图和流线图来比较它们的流动特性，如图２～图４所示。 表１ 入口速度设置 区域 层流区 层流向湍流转变１５０≤Ｒｅ≤３００ 雷诺数２０ ４０ ６０ ８０ １００ １５０ ２００ ２４０ ２８０ ３００来流速度（ｍ／ｓ ）０．００１ ０．００２ ０．００３ ０．００４ ０．００５ ０．００７ ５ ０．０１ ０．０１２ ０．０１４ ０．０１５ 由图２～图４可知： Ｒｅ＝２０时，尾流中有一对稳定的反对称涡，称为弗普尔旋涡，且该尾涡尺寸Ｌ与圆 柱体直径Ｄ之比约为１∶１；当雷诺数增加到６０时， 反向对称漩涡影响区域达到最大，该对漩涡不再保持对 称，一侧漩涡的影响区域超过另一侧，且漩涡中心也同 时远离圆柱；随着雷诺数的继续增加，出现典型的涡的生成、发展、脱落过程，逐渐发展成两排周期性摆动和交错的漩涡。
圆柱体涡激振动缩尺实验的相似关系研究
International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学, 2014, 2, 35-45 Published Online September 2014 in Hans. https://www.sodocs.net/doc/d28141541.html,/journal/ijfd https://www.sodocs.net/doc/d28141541.html,/10.12677/ijfd.2014.23004 Study on the Similarity Relation of Model Test of Vortex-Induced Vibration on Circular Cylinders Yang Zhou*, Weiping Huang Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao Email: *edit502@https://www.sodocs.net/doc/d28141541.html, Received: Aug. 10th, 2014; revised: Sep. 1st, 2014; accepted: Sep. 8th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.sodocs.net/doc/d28141541.html,/licenses/by/4.0/ Abstract An experimental method, based on Reynolds number similarity, of the vortex-induced vibration (VIV) of circle cylinders is proposed to achieve VIV similarity between prototype and tested model. The VIV response of a circle cylinder is closely related to Reynolds number because the mode of vortex shedding highly depends on Re. However, the scaled model test of circle cylinder’s VIV is designed based on Froude number similarity but Reynolds number is not similar under the same fluid for both model and prototype. Therefore, the VIV response of tested model is not similar to that of the prototype because they have different vortex shedding modes. It means that the test results can not be used to predict the VIV response of the prototype according to the scaling law based on Froude number similarity. The prototype and three scaled models with different simi-larity schemes have been simulated using CFD to validate the method and at the same time, expe-riments are compared. The numerical results show that the similarity between prototype and model is satisfying by Reynolds number similarity, and it is in accordance with both Froude num-ber and Reynolds number similarity. But the similarity between prototype and model is not satis-fying by Froude number similarity. The experimental results show that the similarity of period of the vortex shedding is satisfying by Reynolds number similarity but not satisfying by Froude number similarity. As a result, Reynolds number similarity should be used in the scale model test instead of Froude number similarity when studying the characteristics of VIV. Keywords Vortex-Induced Vibration (Viv), Cylinder, Cfd, Reynolds Number Similarity, Froude Number Similarity *通讯作者。
海洋立管涡激振动计算方法进展_秦延龙
第23卷第4期2008年8月中国海洋平台CHI NA O FFSH OR E PL AT FO RM V ol.23N o.4A ug.,2008收稿日期:2008-01-22 基金项目:国家863计划海洋领域重大项目(2006AA09A104)作者简介:秦延龙(1956 ),男,高级工程师,从事海洋工程及深海采油平台研究。 文章编号:1001 4500(2008)04 014 04 海洋立管涡激振动计算方法进展 秦延龙, 王世澎 (中国石油集团工程技术研究院,天津300451) 摘 要:针对海洋立管的涡激振动的计算问题,评述了近年来国内外研究进展,并对未来的发展趋势进行 展望。 关键词:涡激振动;计算方法;经验模型;CF D 中图分类号:P75 文献标识码:A COMPUTATIONAL METHODS PROGRESS OF THE VORTEX INDUCED VIBRATION OF OCEAN RISERS QIN Yan long, WA NG Shi peng (CNPC Research Institute of Engineering Technolog y,Tianjin 300451,China) Abstract:T his paper reviews the liter ature on the com putational metho ds used to investi gate vor tex induced vibration (VIV )of ocean risers in r ecent years.Through conclusion, highlighting the natur e of VIV and how to reduce vibration amplitude ar e the key w ork in the future. Key words:vo rtex induced vibration;com putational m ethods;em pirical models;CFD 0 简 介 海洋立管是海洋平台或钻探船舶与海底井口间的主要连接件。立管系统在工作期间,内部有高压的油和气通过,外部承受海洋环境荷载、冲击荷载以及浮式装置运动等,受力复杂。当波浪、海流经过立管时,在一定的流速下会产生漩涡脱落,使得立管发生横向振动,导致立管疲劳破坏,不仅影响工程进展,而且可能产生严重的环境灾害,因此立管系统的涡激振动问题,受到各国学者的重视,进行了大量的实验和数值模拟工作,并且建立了很多涡激振动模型。本文依托于国家863计划海洋技术领域重大项目 深水半潜式钻井平台关键技术 ,针对国内外近年来关于涡激振动计算方法进行归纳总结与评述。 对于海洋工程而言,涡激振动(VIV)的分析方法主要有两种:(1)通过实验或参数预测的手段,依靠试验数据去获得有效的计算结果;(2)利用CFD 技术求解Nav ier Sto kes 方程,直接求得水动力项。具体如图1所示。 然而,随着近来计算机软硬件以及CFD 计算方法的发展,越来越多的研究者开始采用数值方法。数值方法可以在理想的条件下精确控制影响参数的量值。可以准确地追踪流体力、结构的位移以及流场信息,而不需要像模型实验中那样从实验仪器中提取并经过复杂的数据处理手续。
桥梁结构涡激振动实例及减振措施比较研究
桥梁结构涡激振动实例及减振措施比较研究 摘要：针对设计中不被重视的涡激共振问题，讨论了桥梁结构涡激振动及其响应分析的复杂性，介绍了几座国外大跨度桥梁结构的涡激振动问题，并比较分析了这些桥梁结构所采用的不同减振措施方案，推荐设计阶段首先选择气动控制措施来抑制桥梁涡激振动，而已建成的桥梁发生涡振病害则更适宜选用机械减振措施。abstract： in view of the ignored problem of vortex-induced resonance in design， this article analyzes vortex-induced vibration of bridge structure and the complexity of response analysis. the vortex-induced vibration problem of some foreign large span bridge structures is introduced and different vibration reducing measures of these bridges are analyzed and compared. it is recommended that pneumatic control measures be firstly used to control the vortex-induced vibration of bridges in design phase， while for vortex-induced vibration of built-up bridges， mechanical vibration reduction measures are more appropriate. 关键词：桥梁；涡激振动；振动控制；气动措施 key words： bridge；vortex-induced vibration；vibration control；pneumatic measures 中图分类号：u441 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）24-0100-03
【CN110273970A】一种抑制涡激振动的方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910344900.0 (22)申请日 2019.04.26 (66)本国优先权数据 201910082062.4 2019.01.28 CN (71)申请人 钱日隆 地址 361000 福建省厦门市思明区体育路 115号306室 (72)发明人 钱日隆 (74)专利代理机构 广州三环专利商标代理有限 公司 44202 代理人 郭锦辉 陈艺琴 (51)Int.Cl. F16F 15/02(2006.01) (54)发明名称 一种抑制涡激振动的方法 (57)摘要 本发明公开了一种抑制涡激振动的方法，该 方法具体为对受强流体影响而产生涡激物体的 轮廓进行重新设置。这种根据物体结构形状对其 所受的气动力的影响，提供了一种抑制涡激振动 的方法。一般来说在楼房上，灯柱，风力发电支撑 柱，桥梁等生成涡流会严重影响结构的安全，而 只需要对其外形结构进行改造即可抑制其产生 的涡激振动，从而减少由涡激振动易造成物体结 构疲劳破坏以及安装在所述上的附属设施损坏 失效从而造成经济损失。权利要求书1页 说明书4页 附图7页CN 110273970 A 2019.09.24 C N 110273970 A
权 利 要 求 书1/1页CN 110273970 A 1.一种抑制涡激振动的方法，其特征在于，对受强流体影响而产生涡激物体的轮廓进行重新设置。 2.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为长方体或立方体时，对其直角设置倒角。 3.根据权利要求2所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述倒角为方形。 4.根据权利要求2所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述倒角为弧形。 5.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为棱柱时，对其棱角进行钝化处理。 6.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为长方体或立方体时，对其直角进行钝化处理。 7.根据权利要求3所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述方形倒角的大小占所述物体整体大小的比例越大时，产生涡激振动所需要强流体的力越大。 8.根据权利要求5所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述钝化处理的方式是将所述棱角设置为与两边相切的圆弧形。 9.根据权利要求6所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述钝化处理的方式是将所述直角设置为与两边相切的圆弧形。 10.根据权利要求8或9所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述圆弧形所对应的半径越大时，产生涡激振动所需要强流体的力越大。 2
两种典型质量比圆柱体涡激振动特性研究
60卷第1期（总第229期）中国造船V ol.60 No.1 （Serial No. 229）2019年3月SHIPBUILDING OF CHINA Mar. 2019 文章编号：1000-4882（2019）01-0154-08 两种典型质量比圆柱体涡激振动特性研究 魏东泽1，白兴兰*2，黄维平1，常爽1 （1. 中国海洋大学工程学院，青岛266100； 2. 浙江海洋大学船舶与机电工程学院，舟山316000） 摘要 针对圆柱体在大长细比、多模态振动及高雷诺数情况下出现较大变形时的非线性效应，建立了双自由度耦合模型，并采用ANSYS/CFX软件对不同质量比的圆柱体两向涡激振动进行数值模拟，探讨了两种典型质量比圆 柱体在不同约化速度下的位移响应、两向频率比等特征规律。研究表明，低质量比圆柱体具有更大的锁定区范 围和更加剧烈的共振现象。同时，低质量比圆柱体在锁定区范围内呈现出更加复杂的双向耦合规律，而高质量 比圆柱体振动规律则相对稳定。探讨了质量比对“拍”、“相位开关”等涡激振动现象特征参数的影响，结果表明，“拍”现象的出现与质量比无直接关系，而质量比的大小可能对“相位开关”现象是否出现具有决定性影响。 关键词：质量比；涡激振动；位移响应；频率；质心轨迹 中图分类号：TE53文献标识码：A 0 引言 圆柱体涡激振动是一种极为复杂的物理现象，几十年来吸引了学术界和产业界的广泛关注，并取得了大量的研究成果[1-4]。随着深海油气开发的快速发展，海洋立管的长径比不断增大，涡激振动引发的疲劳破坏风险在大长径比立管破坏中更加显著，从而对立管涡激振动特性的研究提出了更高的要求。Feng[5]针对大质量比刚性圆柱体进行了试验模拟；Sanchis等[6]通过对低质量比圆柱体涡激振动的研究，提出质量比是影响圆柱体涡激振动的重要因素；F. J. Huera-Huarte等[7]对低质量比、低阻尼及大长细比柔性圆柱体进行了一系列拖曳实验，并在大雷诺数工况下观察到了圆柱体的五阶响应模态；Zhao等[8]采用数值模拟的办法初步探讨了质量比对圆柱体涡激振动的影响；Hirabayashi[9]应用格子玻尔兹曼方法对二维圆柱的涡激运动进行了数值分析,并证实了在低雷诺数下格子玻尔兹曼方法对涡激运动研究的适用性；陈正寿等[10]建立了双自由度模型，探讨了质量比对顺-横流向耦合程度的影响。 本文考虑了圆柱体在大长细比、多模态振动及高雷诺数情况下出现较大变形时的非线性效应，对质量比为3.24和7的两种圆柱体进行双自由度流固耦合数值模拟。选取质量比为3.24和7的圆柱体作为模拟对象的原因在于：当海洋立管内部充满原油时立管的质量比约为3.24；同时，过去对于圆柱体涡激振动的模拟方法常常将圆柱体简化为实心圆柱体，并假设圆柱体为实心钢结构，此时圆柱体的质量比约为7。这两种典型质量比的选择既能将本文所得模拟结果与经典模拟结果进行对比，从而验证本方法的准确性，又可以通过对实际输油立管的涡激振动监测获得实测数据加以验证，有利于研究成果的工程应用。 收稿日期：2018-04-09；修改稿收稿日期：2019-02-26
柱体绕流阻力理论研究和数值模拟
柱体绕流阻力理论研究和数值模拟 李金钊 2011-11-27
柱体绕流阻力理论研究和数值模拟 摘要：柱体绕流是流体力学中的经典问题之一，而对于绕流阻力的研究又是该问题的关键之处。本文对柱体绕流阻力产生的原因进行了理论分析，并对国内外关于柱体绕流阻力的研究成果进行了归纳总结，指出了研究的方向和对前景的展望。同时本文借助于Fluent 软件，针对二维圆柱和方柱绕流进行了数值模拟，得出了绕流阻力系数并与相关试验结果进行了比较分析。 关键词：绕流阻力、研究成果、数值模拟 1 前言 1.1 柱体绕流阻力研究意义及应用背景 流体绕结构物流动时，过流断面收缩，流速沿程增加，压强沿程减小。由于黏性力的存在，就会在物体周围形成边界层的分离，形成绕流。而由于结构物的存在，会在物体迎水面产生雍水现象，同时也增加了结构物的受力，使得绕流问题变的十分复杂。目前相关理论研究成果较贫乏，因此对绕流现象进行研究具有重要的理论基础意义。 研究结构物绕流问题在工程实际中也具有重要意义。如在水流对桥下部结构的作用中，风对桥塔、索缆的作用中，都有重要的工程应用背景。因此对结构物绕流进行深入研究，掌握其流动机理和水动力学规律，不仅具有理论意义，还有明显的社会经济效益。 1.2 绕流阻力理论分析 水流流经柱体时，作用于物体上的力可分为两类：摩擦阻力和压差阻力。其中流体作用于物体表面的摩擦力在水流方向上的投影就是摩擦阻力。压差阻力的产生是由于物体表面边界层产生分离。边界层的分离常常伴随着涡旋的产生和能量的损失，从而物体前后面压强发生变化，产生了压强差了，增加了流动的阻力。压差阻力主要取决于物体的形状，因此也称为形状阻力。对于细长物体，例如顺水流放置的平板或翼型，则摩擦阻力占主导地位；而钝性物体的绕流，例如圆球、桥墩等，则主要是压差阻力。液体对物体的绕流阻力可用下列公式计算[1]