低雷诺数下多根圆柱横向受迫振动的数值模拟研究.pdf

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1、第3O卷第2期中国海洋平台Vo1．3ONO．22015年O4月CHINA0FFSH0REPLATF0RMApr．，2015文章编号：1001—4500(2015)02—0048—09低雷诺数下多根圆柱横向受迫振动的数值模拟研究吴浩，孙大鹏，吕林(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116023)摘要：采用三步有限元方法直接求解ALE描述的N—s方程组，结合ALE动网格技术，建立了2D横向受迫振动的数值模型。利用该模型计算了1个主圆柱体与4个附属小圆柱体的横向受迫振动问题，Re一185，振幅比A／D一0．2，频率比／．一0．86～1．O

2、4，间隔0．01。通过分析总流体力及其频谱随频率比的变化，发现总流体力出现了突变，且流体力的振动模态可以分为4种不同的类型，其中包括基本锁定状态。最后分析了升力突变前后流体一结构能量传递关系、结构位移和升力的相位关系以及涡脱落模式的变化。关键词：多根圆柱；横向受迫振动；三步有限元方法中图分类号：P75文献标识码：ANumericalSimulationofLateralForcedVibrationofMultipleCircularCylindersatLowReynoldsNumberWUHao，SUNDa—peng，LULin(StateKe

3、yLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering，DalianUniversityofTechnology，LiaoningDalian116023，China)Abstract：ThreestepsfiniteelementmethodiSusedtodirectlysolvetheN—SequationsdescribedbyALEmethod，andcombiningwithALEdynamicgridtechnique，anumericalmodelfor2D1ateralforcedvibrationi

4、Sdeveloped．Thelateralforcedvibrationofonemaincir—cularcylinderwithadditionalfoursmallercircularcylindersiscalculated，atRe=185，ampli—tuderatioA／D===0．2andfrequencyratio／L===0．86～1．04withintervalof0．01．Byanaly-zingthetotalfluidforcesandtheirspectrumsasafunctionoffe／A，anabruptcha

5、ngeontotalliftforceisfound，andtheoscillatingmodeoffluidforcecanbedividedintofourtypesinclu—dingtheprimarylock—inregime．Thenthefluid—structureenergytransfer，thephasebetweenstructuralmovementand1iftforceandthevortexsheddingmodeareanalyzedtorealizethena—tureonaccountforabruptchan

6、geoffluidforce．Keywords：multiplecircularcylinders；forcedvibration；threestepsfiniteelementmethod0引言海洋立管的涡激振动问题是近年来学术界高度关注的热点，立管涡激振动的简化模型即流体力学中经典的圆柱绕流问题。圆柱体在稳定流场中的运动可分为自激振动和受迫振动两种类型，围绕着这两种运动收稿日期：2014—07—01基金项目：国家自然科学基金项目(项目编号：51409041，51279027)。作者简介：吴浩(1980一)，男，工程师。第2期吴浩，等低雷诺数下多

7、根圆柱横向受迫振动的数值模拟研究类型，学术界开展了广泛而深入的研究，对研究成果比较全面的回顾可见BearmanL1]、Williamson[和Sarp—kaya[3的综述文献。自激振动的研究表明，随着缩减速度的变化，圆柱体的振幅、振动频率和涡脱落模态都迅速发生变化，因此，要确定这些影响因素之间的相互联系是非常困难的。而在受迫振动的研究中，圆柱体的振幅、振动频率可以精确的控制。对于在流场中发生受迫振动的圆柱体，若振动频率接近圆柱体固定不动时的涡脱落频率，，则圆柱体所受流体力和涡脱落模态都会发生显著变化，这是受迫振动最主要的水动力特性。Gu等通过粒径追

8、踪和粒子图像测速方法将受追振动圆柱的近尾迹可视化，并获得了流线图和速度场分布。对于给定的雷诺数和振幅，随着／的增加，从圆柱