低雷諾數(shù)層流中串列雙圓柱流致振動(dòng)的數(shù)值模擬及其機(jī)理研究.pdf

1、全球的海流能源豐富,但流速普遍偏低(<1.5m/s)。傳統(tǒng)的海流能利用裝置(如水下渦輪機(jī)和水下風(fēng)車)的起動(dòng)流速較高(>2.0m/s),對廣泛分布的低流速海流適應(yīng)性較差。近年來,一種低流速海流能的高效利用裝置——VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)逐步得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視,其應(yīng)用前景廣闊。對于VIVACE陣列海流能發(fā)電來說,更大的圓柱振幅和更快的振動(dòng)速度意味著更多的

2、振動(dòng)機(jī)械能,即更高的能量利用率。更寬的振動(dòng)響應(yīng)流速區(qū)間則表示能被 VIVACE利用的海流流速范圍也更廣泛,即更好的海流適應(yīng)性。本文以VIVACE陣列海流能利用為工程背景,針對圓柱群流致振動(dòng)的熱點(diǎn)問題開展了數(shù)值模擬和機(jī)理分析研究。
　　本文對串列圓柱流致振動(dòng)的流固耦合問題采用以下方法進(jìn)行求解。采用不可壓縮粘性流體的N-S方程作為流體運(yùn)動(dòng)的控制方程,對時(shí)間和空間均采用二階格式進(jìn)行離散,利用共軛梯度法迭代求解壓力泊松方程得到壓強(qiáng)值;物體

3、運(yùn)動(dòng)控制方程采用牛頓第二定律,采用具有二階精度的時(shí)間離散格式進(jìn)行求解;應(yīng)用嵌入式迭代浸入邊界法處理流固耦合問題,流固耦合邊界條件通過在浸入邊界點(diǎn)上施加附加體積力實(shí)現(xiàn)。
　　本文對低雷諾數(shù)條件下(Re=100),不可壓縮粘性流體中兩個(gè)串列剛性圓柱(質(zhì)量比 m*=2.0)在不同間距下(圓柱間距比分別為 L/D=2.0、3.0、4.0、5.0)的流致振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬所涉及的工況為:1)上游圓柱固定,下游圓柱彈性支撐,可做橫流

4、向振動(dòng);2)上、下游圓柱均為彈性支撐,可做橫流向振動(dòng)。對以上工況開展了數(shù)值模擬,得到了上、下游圓柱的位移、升阻力的時(shí)程曲線,以及各無量綱運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)(斯特勞哈爾數(shù)、升阻力系數(shù)、圓柱振幅)隨折合流速的變化曲線,并對比分析了不同間距比對各個(gè)參量的影響。著重分析了多個(gè)典型工況下,串列圓柱流致振動(dòng)中兩圓柱間的相互作用,以及圓柱的尾渦模式及效應(yīng),并與上游圓柱固定下游圓柱振動(dòng)的工況進(jìn)行了比較。本文研究發(fā)現(xiàn)了下游圓柱具有三種形態(tài)的尾渦模式,并歸納了上