振动圆柱绕流锁定区域的数值解.PDFVIP

振动圆柱绕流锁定区域的数值解* 方平治 顾明 （同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海200092） 摘 要 基于 Fluent 6.1 并结合其动网格技术和 UDF 功能，本文研究了在雷诺数 Re = 100 时振动圆 柱的绕流问题。振动圆柱绕流的一个重要特征就是出现锁定现象。首先，给出固定圆柱绕流的数值模拟结 果和锁定现象的判别方法：当频率比（振动圆柱的频率和固定圆柱的漩涡脱落频率之比）f r ＜1时，利用 升力系数的频谱图；当f r ＞1时，利用尾流区内相对于振动圆柱的参考点的流向速度的频谱图；其次，对 升力系数和阻力系数的时程曲线在锁定和非锁定状态的特征进行了分析；在以上讨论和大量计算的基础上， 本文最后给出了振动圆柱绕流的锁定区域。 关键词 锁定现象，锁定区域，动网格技术，振动圆柱 0 引言 落频率；f ex ：由于气动弹性效应而形成的 由于有着广泛的工程应用背景和简单 圆柱的自激振动频率；f vs ：自激振动中圆 的几何外形，圆柱的自激振动绕流问题受到 人们的重视[1,2] 。这种气动弹性问题的一个 柱的漩涡脱落频率；f com ：出现锁定现象时 重要特征就是会出现锁定现象，从而和固定 圆柱的绕流问题有着本质的区别。圆柱自激 系统的频率，此时f com f ex f vs 。由于可 振动的物理现象比较复杂，而振动圆柱绕流 以任意改变振动圆柱的振幅和频率，振动圆 问题是该物理现象的一种近似和简化，因 柱的绕流问题受到人们的关注。对于振动圆 此，探讨两种绕流问题之间的内在联系是近 柱的绕流问题，其绕流特征同样和 Re 有关。 几年来的热点之一[3] 。目前，多数文献集中 在特定的 Re 情况下，锁定现象的发生依赖 在横向振动绕流问题，本文的论述和研究范 于圆柱振动的频率和振幅：对于特定的频 围也是这种单自由度模型。早期对圆柱绕流 率，振幅有一个上阈值和下阈值；对于特定 问题的研究主要依靠实验，近几年来，数值 模拟已成为一种不可替代的研究手段[4] 。本 的振幅，圆柱的振动频率有一个下限值和上 限值；这样，在振幅-频率平面内锁定区域 文采用数值模拟方法研究二维平面内横向 构成一个近似封闭的区域[1]。 振动圆柱的绕流问题。 采用有限元方法，Anagnostopoulos 详细 自激振动下的圆柱绕流和雷诺数Re 密 研究了二维圆柱在横向振动条件下的绕流 切相关，随着 Re （或则折减速度）的不同， 问题[4] 。圆柱的频率即频率比变化范围为 出现了不同的漩涡脱落模式：2S （每一个漩 涡脱落周期内形成两个漩涡），2P （每一个 f r = f ex / f st = 0.80 ~ 1.20 ，最大振幅即振幅 漩涡脱落周期内形成两对漩涡），P+S ， 比为A/D = 0.5 ，雷诺数约为Re ≈106。文中 2P+2S 等[2]。伴随着漩涡脱落模式的变化，