剪切来流条件下涡生振荡机理数值研究

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1、剪切来流条件下的涡生振荡机理的数值研究张辉*刘梦珂范宝春陈志华(南京理工大学瞬态物理重点实验室,江苏南京,210094)摘要将指数极坐标系建立在运动的圆柱上，推导了运动坐标中剪切来流条件下，涡生振荡的涡量-流函数守恒方程及其初始和边界条件，圆柱表面的水动力表达式以及圆柱振荡方程。对圆柱从静止开始振荡，到发展为稳定振荡状态进行了计算和讨论，描述了脱体涡街的发展过程，升阻力相图的连续变形和漂移，圆柱振荡和平衡位置的变化过程。并研究了涡生振荡终态随剪切度K的变化。结果表明，剪切来流给流场加入了背景涡，使圆柱的上涡增强而下涡减弱，流场的对称性被破坏

2、。随着剪切度K的增大，涡街的倾斜程度增大，压力曲线的漂移量增大，由此导致升力的绝对值增大，圆柱的振幅增大且平衡位置向圆柱下侧的漂移也越大。关键词涡生振荡；剪切流；流固耦合；水动力；升力中图分类号O361Numericalinvestigationsonvortex-inducedvibrationwithshearflowZhangHui*,LiuMengke,FanBaochun,ChenZhihua(ScienceandTechnologyonTransientPhysicsLaboratory,NanjingUniversityofS

3、cienceandTechnology,Nanjing210094)Abstract:Theinitial/boundarycondition,thehydrodynamicforceonthecylindersurfaceandcylinderresponseequationswithshearflowarederivedbasedonthestreamfunction-vorticityequationsintheexponential-polarcoordinatesattachedonthemovingcylinder.Thewho

4、leevolutionsofcylinderstartingfromrestandthenundergoingdevelopmentandvibrationsteadyarecalculatedanddiscussed.Thedevelopmentprocessofseparationvortexes,thedeformationandshiftofdrag-liftphasediagramandthevariationofcylindervibrationandequilibriumpositionaredescribed.Moreove

5、r,thesteadyconditionofvortex-inducedvibrationwiththeshearrateKisinvestigated.Theresultsshowthatthesymmetricalflowfieldisbrokenduetothebackgroundvorticitywhichisgeneratedbyshearflowthatalsocausestheincreaseofuppervortexstrengthandthedecreaseoflowervortexstrength.Thevortexst

6、reetinclinestowardthelowersideandtheinclinationofvortexstreetsincreasewiththeincreasingshearrate.Sodoestheshiftofpressurecurveswhichleadstotheincreaseofabsolutevalueoflift,theamplitudeandtheshift(directingthelowerside)ofcylinder.Keywords:vortex-inducedvibration;shearflow;f

7、luid-structureinteraction;hydrodynamicforce;lift0引言流固耦合问题在航空航天工程、建筑工程及海洋工程等领域大量存在，如高层建筑、近海工程结构以及海底管线等，它会加剧一些复杂的固体振动，在不理想的条件下甚至可能导致结构损伤和破坏，因此对于流固耦合的研究有重要的实用价值和学术意义。最典型的问题是对于一个装置在转动底座的圆柱体，周期脱落的尾涡会导致升阻力的周期性变化，进而使圆柱体产生振动。然后振动的圆柱体会改变流场，流场反过来会改变流场中的力，加剧圆柱体的振动，称为涡生振荡(vortex-induc

8、edvibrationVIV)。在早期的研究中，研究人员大都关注于涡生振荡带来的自锁现象。相关的实验研究表明，当尾涡脱落的频率与固体的固有频率一致时，会发生自锁现象。圆柱体仅在自