振蕩流作用下圓柱體結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性研究

楊沖霄，袁昱超，薛鴻祥，唐文勇

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

隨著我國(guó)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)逐漸向深海邁進(jìn)，海洋工程結(jié)構(gòu)物的安全性能越來(lái)越得到重視。海洋立管系統(tǒng)作為連接水面浮式裝置和海底設(shè)備的導(dǎo)管，在復(fù)雜的載荷作用下，極易出現(xiàn)碰撞、振動(dòng)及疲勞等破壞形式，是深海工程裝備中最薄弱的環(huán)節(jié)[1]。在來(lái)流作用下，立管的交替泄渦現(xiàn)象產(chǎn)生振蕩的流體力，引起結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)[2]。早期國(guó)外學(xué)者對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究[3-5]。其中Gopalkrishnan[3]對(duì)Re為10 000下的圓柱受迫振動(dòng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)，并首次構(gòu)建了受迫振動(dòng)流體力系數(shù)庫(kù)。在數(shù)值方法中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)方法(computational fluid dynamics， 簡(jiǎn)稱CFD)應(yīng)運(yùn)而生，為了提高計(jì)算效率，將立管簡(jiǎn)化為二維圓柱是較為常見(jiàn)的研究手段。Muhamad和Krish[6]使用RANS k-ω湍流模型對(duì)Re=10 000來(lái)流下的圓柱進(jìn)行單自由度受迫振動(dòng)數(shù)值模擬，結(jié)果表明漩渦尾跡對(duì)圓柱振動(dòng)頻率較為敏感，當(dāng)振動(dòng)頻率接近Strouhal頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生漩渦的相位變換。王亞非[7]數(shù)值模擬了雙自由度彈性支撐圓柱體的渦激振動(dòng)問(wèn)題，結(jié)果表明振蕩流擴(kuò)大了自激振動(dòng)的鎖定范圍，并且使得順流向振動(dòng)幅值大大增加，甚至超過(guò)了橫向所能激發(fā)的最大幅值。付博文等[8]基于切片理論，通過(guò)使用徑向基函數(shù)法作為OpenFOAM中的動(dòng)網(wǎng)格策略，模擬了長(zhǎng)細(xì)比為1 000的柔性立管在橫流向和順流向的振動(dòng)，數(shù)值模擬重現(xiàn)了高階主控模態(tài)及主控模態(tài)的頻繁變換等大長(zhǎng)細(xì)比柔性立管的渦激振動(dòng)特性。王凱鵬[9]通過(guò)對(duì)均勻來(lái)流和剪切來(lái)流兩種來(lái)流形式下的靜止圓柱、橫向受迫振動(dòng)圓柱繞流及圓柱渦激振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)數(shù)值模擬，首次系統(tǒng)地分析了來(lái)流形式對(duì)圓柱繞流和圓柱渦激振動(dòng)問(wèn)題的影響，并指出來(lái)流形式是很重要的一個(gè)影響因素。總體來(lái)說(shuō)目前的研究主要集中在定常流。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，海洋浮式結(jié)構(gòu)物在風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用下會(huì)帶動(dòng)立管在水中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)立管的遭遇流場(chǎng)可等效為振蕩流場(chǎng)[10]。相比定常流，振蕩流場(chǎng)引起的圓柱繞流問(wèn)題更為復(fù)雜，需要更加深入的研究，目前已有學(xué)者獲得了相關(guān)成果。Zhao等[11]模擬了振蕩流和均勻流共同作用下圓柱的渦激振動(dòng)，探討了流動(dòng)比例a對(duì)圓柱的響應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)了在a=0.8，Vr=7時(shí)，漩渦在一個(gè)振蕩流周期中經(jīng)歷2S、2P和2T三種泄渦模式。鄧躍[12]對(duì)低雷諾數(shù)時(shí)單自由度彈性支撐圓柱在均勻流和振蕩流共同作用下的受迫和自激振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)有振蕩流參與時(shí)，結(jié)構(gòu)的鎖定范圍和振動(dòng)幅值等都有明顯的變化。鄧迪等[13]采用OpenFOAM開(kāi)源軟件對(duì)在靜水中做周期性振蕩運(yùn)動(dòng)的二維剛性圓柱渦激振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)圓柱的橫向振動(dòng)加劇了升力系數(shù)的變化，使得泄渦方向和圓柱表面漩渦分離點(diǎn)的位置發(fā)生了明顯變化。

目前對(duì)于振蕩流的研究主要集中在低雷諾數(shù)或小KC數(shù)工況，而已有認(rèn)知表明，不同雷諾數(shù)及KC數(shù)對(duì)圓柱繞流特性影響顯著[14-16]。文中重點(diǎn)研究高雷諾數(shù)條件并兼顧大KC數(shù)工況。首先，對(duì)均勻流下雷諾數(shù)10 000時(shí)的圓柱受迫振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了基于CFD方法復(fù)現(xiàn)受迫振動(dòng)試驗(yàn)并研究流體力系數(shù)的可行性。之后開(kāi)展振蕩流下圓柱受迫振動(dòng)數(shù)值仿真，分析不同KC數(shù)下圓柱的水動(dòng)力特性及漩渦形態(tài)，并歸納出大KC數(shù)和小KC數(shù)下升力系數(shù)和漩渦發(fā)放特點(diǎn)。

1 數(shù)值分析方法

1.1 控制方程

考慮不可壓縮流場(chǎng)，采用雷諾時(shí)均方法(Reynolds Averaged Navier-Stokes， 簡(jiǎn)稱RANS)，結(jié)合剪切應(yīng)力輸運(yùn)模型(k-ω SST)求解N-S方程，控制方程：

(1)

(2)

k-ω SST湍流模型的輸運(yùn)方程：

(3)

(4)

式中：μt為渦黏性；Sij為平均速度應(yīng)變率張量；τtij表示雷諾應(yīng)力的渦黏性模型；σk、β*、σω、σω2均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；Pω代表交錯(cuò)擴(kuò)散項(xiàng)。F1為混合函數(shù)，在近壁處采用Wilcox k-ω模型，邊界層邊緣和自由剪切層采用k-ε模型，中間通過(guò)F1函數(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)渡。

1.2 水動(dòng)力系數(shù)識(shí)別方法

在Gopalkrishnan[3]的試驗(yàn)中，圓柱進(jìn)行受迫振動(dòng)，位移函數(shù)：

y(t)=Asin(2πf0t)

(5)

式中：A為振動(dòng)幅值；f0為振動(dòng)頻率；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

由此得到圓柱運(yùn)動(dòng)的速度函數(shù)為：

v(t)=2πf0Acos(2πf0t)

(6)

當(dāng)圓柱以式(5)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，垂直來(lái)流方向的升力可表示為:

L=L0sin(2πf0t+φ0)+Lssin(2πfst+φs)

(7)

式中：L0、Ls為升力幅值；φ0、φs為相位角；fs代表Strouhal頻率，其中下標(biāo)為0表示與圓柱振動(dòng)頻率相關(guān)，下標(biāo)為s表示與Strouhal頻率相關(guān)。

當(dāng)圓柱處于鎖定狀態(tài)時(shí)，Strouhal頻率消失，并且圓柱并未以頻率fs在振動(dòng)，即該成分不參與到流體與結(jié)構(gòu)的能量傳遞中，故在實(shí)際分析時(shí)，升力得到簡(jiǎn)化：

L=L0sin(2πf0t+φ0)

(8)

升力幅值及相位角可通過(guò)對(duì)時(shí)歷曲線進(jìn)行傅里葉擬合得到：

(9)

計(jì)算可得參數(shù)：

(10)

(11)

(12)

升力幅值和相位角可表示為：

(13)

(14)

升力系數(shù)由下式計(jì)算得到：

(15)

式中：l為圓柱高度，在二維計(jì)算中取單位高度；D為圓柱直徑；U為遭遇流速。

升力系數(shù)還可進(jìn)一步分解得到激勵(lì)力系數(shù)和慣性力系數(shù)。升力系數(shù)中和圓柱運(yùn)動(dòng)速度同相位的部分定義為激勵(lì)力系數(shù)：

CL_V0=CL0sinφ0

(16)

激勵(lì)力系數(shù)為正代表能量從流體輸入到圓柱結(jié)構(gòu)中，此時(shí)易發(fā)生圓柱的渦激振動(dòng)，激勵(lì)力系數(shù)為負(fù)代表能量從結(jié)構(gòu)輸出到流體中。

升力系數(shù)中和圓柱運(yùn)動(dòng)加速度同相位的部分定義為慣性力系數(shù)：

CL_A0=CL0(-cosφ0)

(17)

無(wú)因次振幅定義為：

A*=A/D

(18)

無(wú)因次頻率定義為：

f*=f0U/D

(19)

振蕩流定義如下：

u(t)=2πfBsin(2πft)

(20)

式中：B為振蕩流幅值；f為振蕩流頻率。

在均勻流中，采用雷諾數(shù)定義流體特征：

Re=UD/ν

(21)

振蕩流中，引入柯萊根—卡彭特?cái)?shù)(Keulegan-Carpenter number，KC)表征來(lái)流：

KC=Umax/fD

(22)

Umax=2πfB

(23)

式中：Umax為振蕩流最大速度。

1.3 計(jì)算網(wǎng)格和邊界條件

計(jì)算域如圖1所示。X軸平行來(lái)流方向，Y軸垂直來(lái)流方向。圓柱直徑D=0.025 4 m，上下邊距圓柱中心8D，水平方向50D。由于圓柱周圍流場(chǎng)變化較為劇烈，在圓柱中心3.5D范圍內(nèi)進(jìn)行加密，如圖2所示。左端為速度入口，均勻流流速0.4 m/s；上下兩端為對(duì)稱邊界；右端為自由出流；圓柱采用無(wú)滑移固壁條件；壓力—速度耦合采用SIMPLE算法；時(shí)間項(xiàng)采用二階隱式積分方法；對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式。

圖1 計(jì)算域Fig. 1 Computational domain

圖2 局部加密Fig. 2 Partial encryption

2 均勻流工況試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證

首先對(duì)定常流速0.4 m/s、Re=10 000下的靜止圓柱進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了普通網(wǎng)格、加密網(wǎng)格及其他學(xué)者計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，如表1所示。

表1 兩套網(wǎng)格參數(shù)Tab. 1 Two sets of grid parameters

根據(jù)對(duì)比可知，兩套網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果均與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)較好，在綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算成本的前提下，選擇普通網(wǎng)格完成振蕩流流動(dòng)計(jì)算。

2.2 流體力系數(shù)對(duì)比

計(jì)算了均勻流振幅比為0.3時(shí)各無(wú)因次頻率下的流體力系數(shù)，并與Gopalkrishnan[3]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，升力系數(shù)、激勵(lì)力系數(shù)、慣性力系數(shù)及相位角結(jié)果如圖3所示。

圖3 流體力系數(shù)對(duì)比Fig. 3 Comparison of fluid force coefficient

由圖3可知，隨著無(wú)因次頻率的增加，升力系數(shù)幅值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，文中模擬結(jié)果在趨勢(shì)和數(shù)值上和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。激勵(lì)力系數(shù)變化較為復(fù)雜，在無(wú)因次頻率0.17處出現(xiàn)正峰值，在0.21處出現(xiàn)負(fù)峰值，模擬結(jié)果基本可復(fù)現(xiàn)這一現(xiàn)象，但數(shù)值上略有差距。慣性力系數(shù)變化與無(wú)因次頻率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，文中CFD模擬結(jié)果較好的吻合了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。相位角在低頻率處為負(fù)值，在頻率0.15附近發(fā)生相位突變現(xiàn)象，之后隨著無(wú)因次頻率增加逐漸趨于0，CFD模擬結(jié)果也基本符合這些特征。但在低頻率處，文中模擬結(jié)果與試驗(yàn)存在一定誤差，這可能是因?yàn)镚opalkrishnan所進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果包含了復(fù)雜的三維效應(yīng)，故二維模型暫未全面反映三維試驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[18]針對(duì)二維數(shù)值模擬與試驗(yàn)誤差也提出了相似的分析。

綜上所述，文中所采用的網(wǎng)格劃分和CFD設(shè)置方法復(fù)現(xiàn)了圓柱受迫振動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果，在水動(dòng)力系數(shù)模擬上具有較高的準(zhǔn)確性，可運(yùn)用到振蕩流中開(kāi)展研究。

2.3 均勻流漩渦形態(tài)分析

均勻流工況漩渦發(fā)放形態(tài)如圖4所示，選取一個(gè)脫落周期的漩渦發(fā)放結(jié)果。圖4(a)時(shí)，圓柱向上方運(yùn)動(dòng)，尾渦在圓柱下流向產(chǎn)生，并逐漸向后延伸。當(dāng)圓柱向下運(yùn)動(dòng)到圖4(b)位置時(shí)，漩渦從圓柱的下尾渦末端脫落，此時(shí)上尾渦的末端也分離出了即將脫落的漩渦。圖4(c)時(shí)，漩渦從上尾渦末端分離。脫落周期持續(xù)0.37 s，與圓柱此時(shí)的振動(dòng)周期是吻合的?？梢钥吹?，漩渦在一個(gè)周期內(nèi)呈現(xiàn)上下交替脫落現(xiàn)象，為典型的2S脫落模式。

圖4 均勻流下圓柱漩渦脫落(A*=0.5，f*=0.17)Fig. 4 Vortex shedding under uniform flow(A*=0.5，f*=0.17)

3 振蕩流結(jié)果與分析

3.1 工況設(shè)置

為了與前文均勻流形成對(duì)比，振蕩流流速幅值定為0.4 m/s，振蕩流可表示為：

v=0.4×sin(2πft)

(24)

基于第2節(jié)的研究基礎(chǔ)，通過(guò)改變振蕩流振蕩周期，研究不同KC數(shù)下的二維圓柱受迫振動(dòng)特性。其中，振蕩流工況設(shè)置情況如表2所示。為研究圓柱振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，同一振幅比下選擇8組無(wú)因次頻率進(jìn)行計(jì)算，無(wú)因次振幅比設(shè)置6組，共計(jì)算240個(gè)振蕩流工況。

表2 振蕩流工況設(shè)置Tab. 2 Setting of oscillation flow condition

3.2 流體力系數(shù)分析

提取0.50D和1.00D兩組振幅比的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，升力系數(shù)幅值變化情況見(jiàn)圖5(a)。在低振動(dòng)頻率時(shí)，升力系數(shù)呈現(xiàn)較小的值，隨著振動(dòng)頻率增加，升力系數(shù)幅值也逐漸增加。在該工況下，不同KC數(shù)對(duì)升力系數(shù)幅值影響不大。激勵(lì)力系數(shù)變化情況見(jiàn)圖5(b)。激勵(lì)力系數(shù)變化較為復(fù)雜，且對(duì)KC數(shù)的敏感性較高。此時(shí)不同KC數(shù)下的激勵(lì)力系數(shù)隨無(wú)因次頻率變化基本呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，峰值區(qū)出現(xiàn)在0.18附近，相比均勻流的0.17略有變化，符合文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)論。在振動(dòng)頻率0.15～0.20之間，KC數(shù)對(duì)激勵(lì)力系數(shù)影響較大，該區(qū)間也屬于均勻流試驗(yàn)測(cè)得的鎖定發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)域。由圖5(b)可知，小KC數(shù)下，激勵(lì)力系數(shù)變化較大。除在峰值區(qū)，KC=31.5時(shí)激勵(lì)力系數(shù)基本保持在較低水平。這可能是因?yàn)榇斯r下流速及流向變化較快，漩渦尚未脫落便遭遇反向流速，無(wú)法形成穩(wěn)定的漩渦脫落周期。KC數(shù)增大后，激勵(lì)力系數(shù)也逐漸增加，但隨著KC數(shù)變大，流態(tài)逐漸趨于定常流，此時(shí)激勵(lì)力系數(shù)值將保持相近。

圖5 低振幅比(0.50D)流體力系數(shù)對(duì)比Fig. 5 Contrast of fluid force coefficients at low amplitude ratio (0.50D)

圖6給出了振動(dòng)幅值1.00D時(shí)，升力系數(shù)幅值和激勵(lì)力系數(shù)隨KC數(shù)的變化情況。隨著振動(dòng)幅值的增加，KC數(shù)對(duì)流體力系數(shù)的影響效應(yīng)并不顯著，這與小振幅工況時(shí)是不同的。圖6(b)表明，激勵(lì)力系數(shù)隨著無(wú)因次頻率的增加逐漸減小。大KC數(shù)工況相對(duì)較為穩(wěn)定，小KC數(shù)工況KC=31.5時(shí)振蕩流周期變化較快，漩渦脫落相對(duì)不穩(wěn)定，規(guī)律性較弱，故在低無(wú)因次頻率下呈現(xiàn)出了下降趨勢(shì)。但整體來(lái)看，各工況下激勵(lì)力系數(shù)均小于0，此時(shí)流體對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)起阻尼作用，能量由結(jié)構(gòu)傳向流體。激勵(lì)力系數(shù)由升力系數(shù)幅值和相位角計(jì)算得到，由Gopalkrishnan[3]均勻流試驗(yàn)可知，低振幅比與高振幅比時(shí)相位角變化具有明顯不同。振蕩流工況下高低振幅比時(shí)相位角變化趨勢(shì)也不同，1.00D時(shí)相位角均保持為負(fù)值，故激勵(lì)力系數(shù)變化趨勢(shì)與0.50D存在較大差別。

圖6 高振幅比(1.00D)流體力系數(shù)對(duì)比Fig. 6 Contrast of fluid force coefficients at high amplitude ratio (1.00D)

綜上可知，在小振動(dòng)幅值時(shí)，當(dāng)圓柱的無(wú)因次頻率處于渦激振動(dòng)鎖定區(qū)間內(nèi)，KC數(shù)對(duì)激勵(lì)力系數(shù)影響較大，且大、小KC數(shù)下呈現(xiàn)不同的規(guī)律性。在大振動(dòng)幅值時(shí)，KC數(shù)對(duì)該雷諾數(shù)下流體力系數(shù)的影響將逐漸減小，激勵(lì)力系數(shù)保持負(fù)值。

3.3 漩渦形態(tài)分析

基于振幅比0.50D計(jì)算結(jié)果，分析KC數(shù)對(duì)漩渦發(fā)放形態(tài)的影響。前文分析可得，振動(dòng)頻率在0.15～0.20之間流體力系數(shù)受KC數(shù)變化較為敏感，因此選擇頻率0.17作為分析重點(diǎn)。將5組KC數(shù)分為兩類，其中，小KC數(shù)工況為組1和組2(KC=31.5和KC=63.0)，大KC數(shù)工況為組3、組4和組5(KC=126.0、KC=252.0和KC=503.9)。由于大小兩類工況下不同KC數(shù)的漩渦形態(tài)具有相似性，故大KC數(shù)和小KC數(shù)各選擇一組典型形態(tài)進(jìn)行分析。

3.3.1 大KC數(shù)工況

圖7給出KC=503.9、無(wú)因次頻率0.17、一個(gè)振蕩流周期內(nèi)漩渦脫落發(fā)展?fàn)顟B(tài)。隨著流速的逐漸增大，尾渦在圓柱壁面上產(chǎn)生，并逐漸向圓柱右側(cè)延伸。當(dāng)?shù)竭_(dá)圖7(a)時(shí)，有漩渦從尾渦后方脫落。圖7(b)對(duì)應(yīng)流速達(dá)到峰值，在由(a)到(b)的過(guò)程中，速度進(jìn)一步增加，圓柱后方的尾渦也逐漸伸長(zhǎng)。此階段內(nèi)伸長(zhǎng)的尾渦與之前脫落的漩渦連在一起，并未出現(xiàn)顯著漩渦脫離現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)圖7(b)后，流速逐漸下降，此時(shí)圓柱后方的漩渦開(kāi)始上下交替脫落，呈現(xiàn)出典型的2S泄渦模式，如圖7(c)所示。圓柱運(yùn)動(dòng)到圖7(d)時(shí)，此時(shí)圓柱后方依舊有漩渦脫落，但已不再是2S模式，并且漩渦的大小和強(qiáng)度均開(kāi)始下降。

圖7 大KC數(shù)下漩渦脫落(A*=0.5，f*=0.17，KC=503.9)Fig. 7 Vortex shedding at large KC number (A*=0.5，f*=0.17，KC=503.9)

當(dāng)流速繼續(xù)下降時(shí)，脫落的漩渦也逐漸在圓柱后方消散。圖7(e)顯示此時(shí)流速很小，圓柱壁面已無(wú)法產(chǎn)生尾渦。之后流速反向并逐漸增加。漩渦開(kāi)始在圓柱的左側(cè)產(chǎn)生，但此時(shí)尾渦較短，漩渦在離圓柱較近的位置脫落，如圖7(f)所示。流速進(jìn)一步增加，尾渦逐漸延伸，但無(wú)法觀察到脫落的漩渦。這一階段類似圖7(a)至7(b)。圖7(g)時(shí)流速剛過(guò)最大值，漩渦開(kāi)始從尾渦上脫落，并呈現(xiàn)出2S泄渦模式，與流速正向不同的是，這一階段2S模式的持續(xù)時(shí)間要更小。圖7(h)后，流速逐漸下降，圓柱的尾渦長(zhǎng)度慢慢變短，強(qiáng)度逐漸減弱。

3.3.2 小KC數(shù)工況

圖8為KC數(shù)為31.5時(shí)的尾渦演化。圖8(a)時(shí)，流速剛經(jīng)過(guò)最大值，尾渦在圓柱后側(cè)產(chǎn)生延長(zhǎng)。隨著流速下降，從圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)有單個(gè)漩渦從圓柱壁面上脫落，但由于沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間的單側(cè)流向，難以觀察到漩渦一個(gè)接一個(gè)在圓柱的下流向消散的現(xiàn)象。圖8(c)時(shí)，流速反向，脫落的漩渦被反向流速帶回到圓柱附近，導(dǎo)致圓柱周圍漩渦分布復(fù)雜化，這也是小KC數(shù)時(shí)的典型狀態(tài)。之后流速增加，尾渦在圓柱的左側(cè)產(chǎn)生。

圖8 小KC數(shù)下漩渦脫落(A*=0.5，f*=0.17，KC=31.5)Fig. 8 Vortex shedding at low KC number (A*=0.5，f*=0.17，KC=31.5)

在f*=0.17下，振蕩流隨著KC數(shù)的增加，漩渦脫落的模式各有不同。小KC數(shù)下流體速度變化較快，漩渦從圓柱壁面脫落后難以保持穩(wěn)定泄渦，當(dāng)流速反向后，脫落的漩渦又被沖向圓柱，使得圓柱周圍壓力變化更加復(fù)雜。在大KC數(shù)時(shí)，漩渦以典型的2S模式從圓柱壁面脫落，且隨著速度下降，漩渦強(qiáng)度逐漸下降，脫落的漩渦也可在流速反向前消散完成。

3.4 升力系數(shù)時(shí)歷分析

為更好地分析漩渦產(chǎn)生發(fā)展過(guò)程和升力系數(shù)之間的關(guān)系，提取了A*=0.5，f*=0.17對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)時(shí)歷曲線，并對(duì)照漩渦發(fā)放過(guò)程，探討二者之間的內(nèi)在聯(lián)系。

圖9展示了大KC數(shù)時(shí)的升力系數(shù)時(shí)歷曲線。3種大KC數(shù)工況均觀察到了振幅調(diào)制現(xiàn)象。圖9(c)給出了KC=503.9時(shí)升力系數(shù)變化情況。該曲線可以看到兩個(gè)升力系數(shù)增大區(qū)，即振蕩流速度幅值附近(72 s和88 s)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到64 s時(shí)，振蕩流速度由0開(kāi)始逐漸增大，升力系數(shù)也逐漸增加。當(dāng)圓柱運(yùn)動(dòng)至72 s時(shí)，進(jìn)入到2S發(fā)放模式，升力系數(shù)進(jìn)入第一個(gè)峰值區(qū)。80 s時(shí)，流速降低為0，可以觀察到此時(shí)升力系數(shù)要小于峰值區(qū)。流速反向后，速度開(kāi)始增加，再次進(jìn)入到2S發(fā)放模式，此時(shí)升力系數(shù)同樣達(dá)到峰值區(qū)。

圖9 大KC數(shù)升力系數(shù)曲線Fig. 9 Amplitude curve of lift coefficient at large KC number

KC=126.0時(shí)，峰值區(qū)出現(xiàn)在18 s和22 s附近，并且可以看到第二個(gè)峰值區(qū)的范圍要略大于第一個(gè)，且峰值更高。KC=252.0時(shí)，峰值區(qū)出現(xiàn)在36 s和44 s，該工況下振幅調(diào)制現(xiàn)象較為對(duì)稱。

圖10給出了小KC數(shù)及均勻流工況下升力系數(shù)時(shí)歷曲線。當(dāng)KC數(shù)較小時(shí)，流體速度變化較快，在一個(gè)振蕩流周期內(nèi)無(wú)法觀察到明顯的兩次振幅調(diào)制現(xiàn)象，但振幅仍隨時(shí)間呈現(xiàn)波動(dòng)規(guī)律。圖10(c)給出了均勻流下10個(gè)漩渦脫落周期內(nèi)升力系數(shù)變化情況，升力系數(shù)基本不隨時(shí)間發(fā)生變化。

圖10 小KC數(shù)及均勻流升力系數(shù)曲線Fig. 10 Amplitude curve of lift coefficient at low KC number

4 結(jié) 語(yǔ)

基于CFD方法對(duì)振蕩流下的振動(dòng)圓柱進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同KC數(shù)工況圓柱的水動(dòng)力特性及泄渦形態(tài)，得到以下結(jié)論：

1) 采用CFD方法復(fù)現(xiàn)均勻流圓柱受迫振動(dòng)試驗(yàn)的研究手段是可行的，對(duì)比流體力系數(shù)可知，CFD模擬結(jié)果在趨勢(shì)和數(shù)值上均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

2) 振蕩流下，在低振幅比、低振動(dòng)頻率時(shí)，振動(dòng)圓柱的激勵(lì)力系數(shù)會(huì)隨著KC數(shù)改變發(fā)生顯著變化。小KC數(shù)時(shí)，流速變化較快，激勵(lì)力系數(shù)受KC數(shù)影響較大，隨著KC數(shù)逐漸增加，流態(tài)趨向均勻流，激勵(lì)力系數(shù)數(shù)值差異減小。隨著圓柱振幅比增加，不同KC數(shù)下的流體力系數(shù)基本保持一致。

3) 大KC數(shù)工況下由于流體在單向上可保持較長(zhǎng)時(shí)間，漩渦有足夠時(shí)間發(fā)展和脫落，可觀察到明顯的2S泄渦模式；小KC數(shù)工況時(shí)，流體變化加快，脫落的漩渦還未完全消散便被反向流速?zèng)_回圓柱，漩渦發(fā)放規(guī)律性較弱。

4) 大KC數(shù)工況下的升力系數(shù)時(shí)歷曲線可在同一振蕩流周期中觀察到兩次明顯的振幅調(diào)制現(xiàn)象，分別對(duì)應(yīng)正向、反向兩個(gè)流速階段；小KC數(shù)工況時(shí)，流速頻繁改變大小和方向，升力系數(shù)時(shí)歷不像均勻流下穩(wěn)定，但變化不具備明顯規(guī)律性。