發(fā)布時間：2020-09-19 16:52

　　 渦激振動既能夠引起結(jié)構(gòu)部件的疲勞破壞又能夠通過振動能量收集裝置為人類提供新型清潔能源。因此,無論是從抑制振動角度或高效利用振動能量角度,渦激振動機(jī)理一直是流固耦合基礎(chǔ)研究與海洋工程應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于流體與結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性,渦激振動機(jī)理研究尚未成熟。本文旨在建立一套簡便的求解流固耦合問題的數(shù)值計(jì)算方法,通過典型算例驗(yàn)證方法的可行性與準(zhǔn)確性,并應(yīng)用該數(shù)值方法研究橢圓柱這種非典型柱體結(jié)構(gòu)的渦激振動機(jī)理,著重分析來流條件、幾何尺寸和布置間距對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的影響規(guī)律和內(nèi)在物理機(jī)制。首先,建立了基于多松弛模型的格子Boltzmann通量求解法�；�于宏觀方程和介觀模型的耦合思想,采用多尺度Chapman-Enskog數(shù)學(xué)手段,給出了狀態(tài)變量和通量用格子模型分布函數(shù)表達(dá)的關(guān)系式,實(shí)現(xiàn)無粘與粘性項(xiàng)的統(tǒng)一求解,有效避免了宏觀方法中高階通量的求解。采用不同雷諾數(shù)下的方腔驅(qū)動流的典型算例驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性和有效性。其次,有效結(jié)合強(qiáng)制邊界-浸入邊界法與格子Boltzmann通量求解法,建立非貼合邊界的流固耦合算法。格子模型與浸入邊界法的引入使該流固耦合數(shù)值計(jì)算可以在笛卡爾網(wǎng)格下進(jìn)行,無需生成貼體網(wǎng)格及運(yùn)用動網(wǎng)格技術(shù),簡化了動邊界物理問題的計(jì)算過程。通過數(shù)值模擬圓柱和翼型靜止繞流、主動旋轉(zhuǎn)繞流以及橫向單自由度渦激振動問題,逐步驗(yàn)證了數(shù)值方法在求解靜止邊界和動邊界問題的有效性和可行性,為后續(xù)研究橢圓柱結(jié)構(gòu)渦激振動問題提供了有效簡便的計(jì)算方法。接著,應(yīng)用浸入邊界-格子Boltzmann通量求解法開展了低雷諾數(shù)條件下橢圓柱靜止繞流的數(shù)值研究。對于單橢圓柱(0.7?A_R?1.5)的數(shù)值結(jié)果表明:作用力系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)隨A_R的增加而減小,尾流均呈現(xiàn)周期性脫落渦結(jié)構(gòu)。對于串列雙橢圓柱(0.7?A_R?1.5且2?L/D?11)數(shù)值結(jié)果表明:臨界間距隨A_R的增加而增加;上游柱體作用力系數(shù)的變化規(guī)律與單柱體相同,隨A_R的增加而減小;未達(dá)到臨界間距時,下游作用力符合該規(guī)律,達(dá)到臨界間距后與單柱體的規(guī)律相反;串列系統(tǒng)的流動形態(tài)分為單鈍體模式,交替再附模式和尾渦雙脫落模式。隨后,應(yīng)用浸入邊界-格子Boltzmann通量求解法開展了0.7?A_R?1.5的單橢圓柱雙自由度渦激振動的數(shù)值研究。結(jié)果表明A_R對振動響應(yīng)分區(qū)的起止點(diǎn)和響應(yīng)幅值有顯著的影響:A_R的增加推遲了柱體駛?cè)腈i定區(qū)間,鎖定區(qū)域的大小隨著A_R的增加呈現(xiàn)先增大后縮小的趨勢,在A_R=1附近最大;振動主頻為升力系數(shù)的主頻,共振發(fā)生在橫向方向,運(yùn)動軌跡呈現(xiàn)“8”字形;低雷諾數(shù)范圍內(nèi)橫向振幅均為軸向振幅的10~2量級的倍數(shù)關(guān)系;根據(jù)橫向最大振幅隨折合速度的演化規(guī)律,將振動響應(yīng)詳細(xì)劃分6個區(qū)域,即非同步區(qū)間I、準(zhǔn)周期初始分支、周期初始分支、周期下端分支、準(zhǔn)周期下端分支和非同步區(qū)間II;橫向最大幅值與A_R呈線性遞減關(guān)系。最后,應(yīng)用浸入邊界-格子Boltzmann通量求解法研究串列雙橢圓柱雙自由度流致振動問題。結(jié)果表明:與靜止繞流相比,流致振動現(xiàn)象加速了串列系統(tǒng)柱體剪切層卷起形成尾跡脫落渦的過程。隨著間距比的增加,上游柱體的振動響應(yīng)與尾流模式發(fā)展規(guī)律越來越接近相同A_R的單橢圓柱。下游柱體由于受到上游尾跡的影響,存在剪切層附著、脫落渦交替附著或有效屏蔽來流的作用,因此尾流模式與單柱體有所區(qū)別:當(dāng)上游尾跡形成的脫落渦從下游柱體一側(cè)流過時,下游柱體振動響應(yīng)較小;當(dāng)脫落渦交替附著在下游柱體表面時,增強(qiáng)了下游柱體的振動;在較大間距比和A_R時,下游柱體的振動響應(yīng)更為強(qiáng)烈。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O353.4
【部分圖文】：

a) VIVACE 電力轉(zhuǎn)換設(shè)備a) VIVACE Converter Power Plantb) VIVACE 裝置組件示意圖b) Simple Schematic of a VIVACE Mo圖 1-1 VIVACE 裝置示意圖[16]Fig. 1-1 Schematic of VIVACE[16]

圖 1-2 VIVACE 裝置與其他海流裝置能量密度比較[18]. 1-2 The comparison of the power density of VIVACE and other current converto

無扇葉風(fēng)機(jī)裝置示意圖

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2822766