剛度系數(shù)對圓柱渦激振動漩渦脫落模態(tài)的影響

宗瑞雪

渦激振動現(xiàn)象出現(xiàn)在許多工程領(lǐng)域中，如海洋輸油管、橋梁、飛機(jī)機(jī)翼等結(jié)構(gòu)的渦激振動。渦激振動經(jīng)常會對工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，以至于造成嚴(yán)重的后果，帶來巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，幾十年來，人們對于渦激振動的研究一直未停止過，并取得了大量的成果。通過將圓柱簡化成二維的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，采用動網(wǎng)格技術(shù)，利用CFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，是當(dāng)前研究圓柱渦激振動問題的常用方法。本文基于CFX軟件，采用 κ－ω SST湍流模型對固定雷諾數(shù)、不同剛度條件下的圓柱渦激振動漩渦脫落模態(tài)進(jìn)行研究。

一、控制方程

1、流體控制方程

采用粘性不可壓縮流體的N-S方程來描述湍流的運(yùn)動，方程如下：

2、圓柱運(yùn)動控制方程

可以將模型簡化為一個(gè)簡單的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，如下：

則圓柱的振動方程可以表示為：

二、模型的建立和參數(shù)設(shè)定

計(jì)算域及網(wǎng)格的劃分如圖1所示

圖1

圓柱直徑為10mm,外部流域?yàn)?00mm*100mm的方形流場，流體類型為水，來流速度0.2m/s。雷諾數(shù)近似等于2000。進(jìn)口來流速度設(shè)置為0.2m/s，出口壓力設(shè)置為0 Pa，上下壁面設(shè)置為Free Slip Wall。差分格式為高階求解模式，時(shí)間步長

三、仿真結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，在不同的響應(yīng)分支下，漩渦脫落的模態(tài)也不同。文獻(xiàn)中指出“初始支”對應(yīng)著“2S（2-single）”模態(tài)，“下支”對應(yīng)著“2P（2-pair）”模態(tài)。本文通過對不同剛度條件下的渦激振動進(jìn)行仿真來研究漩渦的脫落模態(tài)，分別對三種情況進(jìn)行仿真。

四、結(jié)論

1）在渦激振動中，隨著剛度的變化漩渦脫落的模態(tài)也會跟著變化；

2）隨著剛度越來越大，渦激振動漩渦脫落的模態(tài)逐漸從2P（2-pair）模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?S（2-single）模態(tài)；

3）當(dāng)剛度達(dá)到一定值時(shí)，剛度即使在增大，也不會再對漩渦脫落模態(tài)產(chǎn)生影響，漩渦脫落模態(tài)保持為2S（2-single）模態(tài)。

[1]Khalak A , Williamson C-H-K Motion force and mode transitions in vortex induced vibration at low mass damping[ J]. Journal of Fluids and Structures, 1999, 13( 7 - 8) : 813 - 851.

[2]宋學(xué)官，蔡林，張華. ANSYS 流固耦合分析與工程實(shí)例，水利水電出版社

[3]徐楓，歐進(jìn)萍.低雷諾數(shù)下彈性圓柱體渦激振動及影響參數(shù)分析.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào) 2009年10月，第26卷第5期.

[4]何長江，段忠東．二維圓柱渦激振動的數(shù)值模擬[J]．海洋工程，2008(1)：57—63．

[5]梁亮文.低雷諾數(shù)下圓柱橫向受迫振蕩和渦激振動的數(shù)值分析.[碩士論文]上海:上海交通大學(xué),2009 年.