三維圓柱繞流及渦激振動的數(shù)值模擬.pdf

1、圓柱繞流是指流體繞過置于其中的圓柱體的運動，它是眾多繞流現(xiàn)象中最為常見和重要的一種，長期以來一直是學(xué)術(shù)界的研究重點，不但因為它在工程技術(shù)中的應(yīng)用最廣，而且研究它也是了解其他鈍體繞流形式的基礎(chǔ)。在一定條件下，當(dāng)流體流經(jīng)圓柱體時，會在圓柱體的兩側(cè)發(fā)生交替瀉渦的現(xiàn)象。此時，由于旋渦脫落會在圓柱體上產(chǎn)生橫流向及順流向的脈動壓力。此脈動流體力將引發(fā)圓柱體的振動，圓柱體的振動反過來又會改變其尾流結(jié)構(gòu)，渦激振動現(xiàn)象便由此產(chǎn)生。當(dāng)圓柱體發(fā)生“鎖定”現(xiàn)象

2、時，圓柱振動的幅度會劇烈增加，從而導(dǎo)致材料的疲勞甚至結(jié)構(gòu)的損壞，這在工程中會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
　　 本文針對圓柱繞流和渦激振動問題，采用Navier-Stokes方程作為不可壓縮粘性流體的控制方程，牛頓第二定律方程作為圓柱運動的控制方程，利用浸入邊界法建立三維數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值模擬研究。模型通過在笛卡爾網(wǎng)格中的浸入邊界點施加額外的體積力來實現(xiàn)對圓柱體邊界條件的模擬，方程求解通過迭代的浸入邊界法結(jié)合半分布力法以及壁面函數(shù)

3、共同完成。研究選取Re=100，3900兩種雷諾數(shù)下，對不可壓縮粘性流體中的單個固定圓柱繞流和彈性支撐圓柱渦激振動分別進行了數(shù)值模擬。在對圓柱繞流問題的模擬計算中得到了流線、流速和渦量的分布圖，壓力系數(shù)，升阻力系數(shù)，Strouhal數(shù)等結(jié)果，通過與實驗結(jié)果對比驗證模型的正確性。在對渦激振動問題的模擬計算中，得到了圓柱的振動速度、位移時程曲線，升阻力系數(shù)，Strouhal數(shù)等結(jié)果，并與圓柱繞流情況下的結(jié)果進行了對比分析。此外，還對大雷諾數(shù)