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圆柱振荡尾流与涡激振动的被动吹气控制方法研究

任晓鹏  
【摘要】:圆柱结构是工程中常见的一种结构形式,如桥梁拉索、烟囱、冷却塔、近海工程结构和海洋输油立管等。圆柱绕流场涉及流动分离、旋涡生成与脱落,诱发结构产生振动,即涡激振动。涡激振动不仅表现为对结构的长期疲劳损耗,严重时能产生共振效应使结构瞬间毁坏。因此,抑制圆柱绕流的振荡尾流,进而消除圆柱的涡激振动,对于改善圆柱结构或构件的设计和提高使用寿命具有重要意义。本文采用CFD数值模拟方法研究了抑制圆柱振荡尾流的被动吹气流动控制方法,通过圆柱上附着的开孔套环前部进气和后部吹气作用,从而抑制振荡尾流,进而实现抑制或消除圆柱流致振动的目的。本文重点研究了被动吹气套环的开孔方式和套环的展向布置间距对控制效果的影响,通过对比圆柱气动力系数变化程度,找到最优的抑制圆柱振荡尾流的控制套环方案,最后数值模拟控制效果下弹性支撑圆柱横风向涡激振动,得出优化效率。本文主要研究内容如下:完成了无控状态下固定圆柱三维绕流场的数值模拟研究。数值模拟了不同湍流模型下Re=3900时三维圆柱绕流场,并将模拟结果与风洞试验结果进行对比验证,验证大涡模拟方法和求解格式的合理性;在大涡模拟方法基础上,采用三种网格方案数值模拟Re=5.0×10~4下三维圆柱绕流场,并将气动力系数统计值与现有试验和模拟数据行对比验证,验证网格方案的精确性。在最优网格方案基础上,数值模拟Re=1.0×10~4,3.0×10~4,5.0×10~4,7.0×10~4以及9.0×10~4下三维圆柱绕流场,确保计算采用的网格精度可以精确捕捉三维圆柱周围绕流场特征,为进一步采用套环被动吹气方法抑制圆柱振荡尾流研究奠定基础。完成了被动吹气控制套环措施下固定圆柱三维绕流场的数值模拟研究。研究了被动吹气套环的开孔方式和套环的展向布置间距对控制效果的影响。重点考虑了开孔方向、开孔高度和开孔角度对圆柱气动力的影响,通过气动力系数变化程度来评价套环开孔方式对圆柱振荡尾流的控制效果;再确定最优化的开孔方式后,研究套环展向布置间距这项因素对圆柱气动力和尾流流场特性影响,从而得到最优化的套环布置方案。完成了无控和有控措施下圆柱横风向涡激振动的数值模拟研究。通过建立横风向弹性支撑数值计算模型,研究了无控状态下圆柱横风向涡激振动数值模拟,求出共振时最大振幅。研究了被动吹气控制套环措施下圆柱横风向涡激振动,分析其控制效果,得出优化效率。


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