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繞流與低雷諾數渦激振動 版權信息
- ISBN：9787030709431
- 條形碼：9787030709431 ; 978-7-03-070943-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
繞流與低雷諾數渦激振動 內容簡介
本書重點闡述實際工程與生活中存在的鈍體繞流及渦激振動響應現象，包括不同截面形狀、不同布置形式下柱體的繞流及渦激振動研究現狀，不同布置形式的圓柱和方柱的繞流特性，流動控制與渦激振動抑制裝置的評價，串列布置形式下不同截面形狀柱體的渦激振動響應規律等。 本書可作為海洋油氣工程、船舶與海洋工程、水利工程、海洋工程與技術等專業的高年級本科生、研究生課程教材，以及相關應用領域的工程技術人員的參考書，也可供從事海洋工程裝備結構設計、流固耦合研究的人員參考。
繞流與低雷諾數渦激振動 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 繞流 1
1.1.1 圓柱繞流 1
1.1.2 方柱繞流 2
1.1.3 串列雙柱繞流 3
1.1.4 群柱繞流 7
1.2 渦激振動 9
1.2.1 圓柱的渦激振動 9
1.2.2 方柱的渦激振動 10
1.2.3 雙柱的振動響應 11
1.2.4 群柱的振動響應 14
1.3 流動控制及振動抑制效果 15
1.3.1 主動控制及其抑制效果 15
1.3.2 被動控制及其抑制效果 16
參考文獻 20
第2章 群柱繞流 34
2.1 串列半圓柱繞流 34
2.1.1 串列布置雙半圓柱的繞流數值模型 35
2.1.2 串列雙半圓柱繞流流場結構 36
2.1.3 串列雙半圓柱繞流的尾渦演變過程 43
2.1.4 串列雙半圓柱繞流的水動力系數 45
2.2 串列三圓柱的尾跡結構特征 49
2.2.1 串列三圓柱的繞流數值模型 49
2.2.2 串列三圓柱繞流的尾流結構 50
2.2.3 串列三圓柱繞流的水動力系數 56
2.2.4 斯特勞哈爾數與相位差 58
2.2.5 串列三圓柱繞流的遠場二次渦 61
參考文獻 63
第3章 流動控制 65
3.1 平板分離盤被動控制 65
3.1.1 附加分離盤的圓柱繞流數值模型 65
3.1.2 結構水動力系數及壓力場 66
3.1.3 尾渦結構 71
3.2 波浪形分離盤被動控制 75
3.2.1 附加波浪形分離盤圓柱繞流的數值模型 76
3.2.2 水動力系數 77
3.2.3 尾流場 80
參考文獻 82
第4章 渦激振動控制 85
4.1 噴氣射流主動控制渦激振動 85
4.1.1 噴氣射流主動控制的數值模型 85
4.1.2 噴氣射流對結構振動的影響 87
4.1.3 噴氣射流對流動結構的影響 87
4.1.4 噴射速度的影響 96
4.2 平板分離盤被動控制渦激振動 100
4.2.1 分離式分離盤被動控制的數值模型 101
4.2.2 尾流分離盤長度對結構水動力系數的影響 103
4.2.3 尾流分離盤長度對結構振動響應的影響 105
4.2.4 尾流分離盤長度對結構尾流場的影響 108
4.2.5 分離盤布置位置對結構水動力系數的影響 110
4.2.6 分離盤布置位置對結構振動響應的影響 113
4.2.7 分離盤布置位置對結構尾流場的影響 115
4.3 波浪形分離盤被動控制渦激振動 116
4.3.1 波浪形分離盤被動控制的數值模型 116
4.3.2 波浪形分離盤對水動力系數的影響 117
4.3.3 波浪形分離盤對圓柱振動響應的影響 120
4.4 C形整流罩被動控制渦激振動 124
4.4.1 C形整流罩被動控制的數值模型 124
4.4.2 C形整流罩對水動力系數的影響 126
4.4.3 C形整流罩對圓柱振動響應的影響 127
4.4.4 C形整流罩對圓柱尾流場的影響 128
4.4.5 與串列雙圓柱的對比 132
參考文獻 133
第5章 串列布置雙柱體的振動響應 138
5.1 串列雙圓柱的流致振動響應 138
5.1.1 串列雙圓柱流致振動響應的數值模型 138
5.1.2 流動模式分區 140
5.1.3 旋渦演變 140
5.1.4 斯特勞哈爾數 144
5.1.5 串列雙圓柱的水動力系數 144
5.1.6 串列雙圓柱的振幅和頻率 146
5.1.7 串列雙圓柱的做功和主導情況 146
5.2 不同形狀串列柱體的流致振動響應 151
5.2.1 不同形狀串列雙柱的數值模型 151
5.2.2 尾流模式 154
5.2.3 水動力系數 161
5.2.4 串列雙柱的振動響應 164
參考文獻 167
第1章 緒論 1
1.1 繞流 1
1.1.1 圓柱繞流 1
1.1.2 方柱繞流 2
1.1.3 串列雙柱繞流 3
1.1.4 群柱繞流 7
1.2 渦激振動 9
1.2.1 圓柱的渦激振動 9
1.2.2 方柱的渦激振動 10
1.2.3 雙柱的振動響應 11
1.2.4 群柱的振動響應 14
1.3 流動控制及振動抑制效果 15
1.3.1 主動控制及其抑制效果 15
1.3.2 被動控制及其抑制效果 16
參考文獻 20
第2章 群柱繞流 34
2.1 串列半圓柱繞流 34
2.1.1 串列布置雙半圓柱的繞流數值模型 35
2.1.2 串列雙半圓柱繞流流場結構 36
2.1.3 串列雙半圓柱繞流的尾渦演變過程 43
2.1.4 串列雙半圓柱繞流的水動力系數 45
2.2 串列三圓柱的尾跡結構特征 49
2.2.1 串列三圓柱的繞流數值模型 49
2.2.2 串列三圓柱繞流的尾流結構 50
2.2.3 串列三圓柱繞流的水動力系數 56
2.2.4 斯特勞哈爾數與相位差 58
2.2.5 串列三圓柱繞流的遠場二次渦 61
參考文獻 63
第3章 流動控制 65
3.1 平板分離盤被動控制 65
3.1.1 附加分離盤的圓柱繞流數值模型 65
3.1.2 結構水動力系數及壓力場 66
3.1.3 尾渦結構 71
3.2 波浪形分離盤被動控制 75
3.2.1 附加波浪形分離盤圓柱繞流的數值模型 76
3.2.2 水動力系數 77
3.2.3 尾流場 80
參考文獻 82
第4章 渦激振動控制 85
4.1 噴氣射流主動控制渦激振動 85
4.1.1 噴氣射流主動控制的數值模型 85
4.1.2 噴氣射流對結構振動的影響 87
4.1.3 噴氣射流對流動結構的影響 87
4.1.4 噴射速度的影響 96
4.2 平板分離盤被動控制渦激振動 100
4.2.1 分離式分離盤被動控制的數值模型 101
4.2.2 尾流分離盤長度對結構水動力系數的影響 103
4.2.3 尾流分離盤長度對結構振動響應的影響 105
4.2.4 尾流分離盤長度對結構尾流場的影響 108
4.2.5 分離盤布置位置對結構水動力系數的影響 110
4.2.6 分離盤布置位置對結構振動響應的影響 113
4.2.7 分離盤布置位置對結構尾流場的影響 115
4.3 波浪形分離盤被動控制渦激振動 116
4.3.1 波浪形分離盤被動控制的數值模型 116
4.3.2 波浪形分離盤對水動力系數的影響 117
4.3.3 波浪形分離盤對圓柱振動響應的影響 120
4.4 C形整流罩被動控制渦激振動 124
4.4.1 C形整流罩被動控制的數值模型 124
4.4.2 C形整流罩對水動力系數的影響 126
4.4.3 C形整流罩對圓柱振動響應的影響 127
4.4.4 C形整流罩對圓柱尾流場的影響 128
4.4.5 與串列雙圓柱的對比 132
參考文獻 133
第5章 串列布置雙柱體的振動響應 138
5.1 串列雙圓柱的流致振動響應 138
5.1.1 串列雙圓柱流致振動響應的數值模型 138
5.1.2 流動模式分區 140
5.1.3 旋渦演變 140
5.1.4 斯特勞哈爾數 144
5.1.5 串列雙圓柱的水動力系數 144
5.1.6 串列雙圓柱的振幅和頻率 146
5.1.7 串列雙圓柱的做功和主導情況 146
5.2 不同形狀串列柱體的流致振動響應 151
5.2.1 不同形狀串列雙柱的數值模型 151
5.2.2 尾流模式 154
5.2.3 水動力系數 161
5.2.4 串列雙柱的振動響應 164
參考文獻 167
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繞流與低雷諾數渦激振動 節選
第1章 緒論 柱體是機械工程、土木工程、航海工程、航空與航天等領域應用*為廣泛的基本結構。身處流動環境的柱體表面存在復雜的流動現象，進而對結構產生流體作用力，引發結構運動響應。因此，柱體繞流是工程領域開展結構安全服役評價的關鍵基礎問題之一。 1.1 繞流 1.1.1 圓柱繞流 圓柱繞流現象廣泛存在于實際工程和生活中，如氣流或水流流經換熱管、煙囪、輸電線、平臺臍帶纜、錨鏈、海洋立管等非線性鈍體。圓柱繞流動力學包括邊界層、自由剪切層、尾流和旋渦動力學等基本問題[1]。當單圓柱添加其他附屬結構時，流場會發生顯著的變化。多柱結構的流場涉及剪切層、旋渦、尾流和卡門渦街之間的復雜交互作用，其他柱體的存在影響了圓柱表面旋渦的發展及演變過程，對尾渦流場產生了激勵或者抑制作用，進而對流動干涉產生增強或者減弱的效果。 隨著雷諾數的增大，圓柱尾流結構會呈現三維流動特性。很多學者在低雷諾數條件下對圓柱進行了繞流研究，探究了尾流向三維過渡的特征[2]。研究發現，當雷諾數達到臨界值(約為190)時，流動會發生二次失穩。此時尾流演變成三維結構，需要開展三維模擬才能捕捉到其細節特征。這時，需要選擇合適的跨長和兩端面的邊界條件[3]。 Williamson[4]指出，圓柱繞流尾跡中的流動結構隨Re增大經歷了一個演變過程：①初級不穩定流出現在Re=47時；②當Re=190時，模態開始失穩，出現大規模的渦錯位；③當Re=230～250時，尾流結構從模式A轉變為模式B；④在Re=260時，尾流結構發展為混亂無序的模式B。Jiang等[3]通過直接數值模擬再現了模式A(具有大尺度的渦錯位)、模式和模式B(不包含大規模錯位情況，只包含純模式B)的高分辨率渦旋結構。結果表明，主渦核的周期性撕裂與流場中鞍點位置的展向周期性有關。在尾渦轉變過程中，模式B的渦結構是基于模式A或模式的流向渦發展起來的，這種流向渦破壞了辮狀剪切層區域的穩定性。在過渡區內，瞬時模態在位錯和非位錯之間來回切換。隨著雷諾數的增大，更難以形成純模式A和位錯周期，導致模式發生的概率連續減小，模式B發生的概率增大。在Re=265～270附近存在一個臨界條件，在該臨界條件下可以觀察到*弱的三維流動，這標志著從模式的消失到混亂無序的模式B的出現。此外，對于鞍點位置變化范圍，模式B遠小于模式A，模式B的展向波長相對于模式A顯著減小。隨著Re的增大，模式和模式B出現的概率分別呈現單調減小和單調增大的趨勢。模式B在Re≈253之后成為主導模式。 在大多數工程應用中，圓柱繞流流動是三維的。但在早期研究中，由于計算機能力的限制，通常使用二維數值模型來模擬圓柱繞流。因此，許多讀者開展了有限長圓柱繞流的實驗研究，通過將圓柱體垂直安裝在平板上開展實驗研究，發現從有限柱體自由端分離出的剪切層對尾跡有顯著影響，自由端附近渦街的形成受到了抑制。一定長度的彎曲圓柱繞流、沿軸向變徑圓柱繞流的三維尾渦結構沿展向存在更加復雜的流動競爭現象。 1.1.2 方柱繞流 除圓柱外，方形截面鈍體也廣泛存在于實際工程中，如高層建筑、橋墩、海上平臺等[5]。Sumner等[6]和Alam等[7-9]研究發現，由于圓柱橫截面的曲率連續且有限，它的流動分離點是振蕩的，邊界層分離可能發生在柱體表面的某一范圍內，但由于方柱橫截面存在直角拐點且其曲率無限，從而使得流動分離點固定在拐角處，因此圓柱和方柱之間的流動結構和流體力的特征明顯不同。Kalita和Gupta[10]模擬研究了Re=60、Re=100時按45°攻角布置的方柱尾流特性，并將結果與圓柱結果對比，發現隨著雷諾數的增大，圓柱的旋渦脫落頻率也增大，并且大于方柱的旋渦脫落頻率。Sohankar等[11]發現，當Re＞50時，方柱周圍的流動為非定常流，其尾跡呈現交替脫落的旋渦和卡門渦街。Robichaux等[12]和Yoon等[13]在其基礎上進一步發現，當Re＜120時，非定常流在方柱后緣發生分離，當Re＞120時，非定常流在方柱前緣發生分離。Robichaux等[12]、Saha等[14]、Luo等[15，16]發現，當Re低于**臨界雷諾數=150～200時，流動保持層流狀態，而**臨界雷諾數的具體值取決于自由流湍動強度、阻塞率、柱體長寬比等。Luo等[16]指出，在該臨界雷諾數前后發生了不穩定的模式A和二維流動向三維流動的過渡，其中模式A是指旋渦在軸向上存在錯位，流向上產生旋渦圈，并且流向的旋渦在軸向上存在一個較大的波長(約5.2D)。當Re進一步增大到第二臨界雷諾數=190～250時則出現了不穩定的模式B，而模式B下的流向旋渦在軸向上的*大波長(1.2D)遠小于模式A下的*大波長。Robichaux等[12]基于弗洛凱(Floquet)不穩定性分析發現，在Re≈200時出現了模式S，該模式的軸向波長大概為2.8D，且其渦脫周期大概為一般流動的2倍。Sohankar等[17，18]、Okajima[19]在此基礎上發現當雷諾數小于**臨界雷諾數時，斯特勞哈爾數隨著雷諾數的增大而增大，而當雷諾數處于**臨界和第二臨界雷諾數之間時，斯特勞哈爾數則隨著雷諾數的增大而減小。當雷諾數大于第二臨界雷諾數時，流動變為湍流，該結論在大量學者的實驗和模擬研究中得到論證，如Lyn和Rodi[20]、Brun等[21]、Minguez等[22]、Cao和Tamura[23]以及Trias等[24]。在這些研究中都很好地捕捉到了近尾流場中大尺度的卡門渦街和分離剪切層中小尺度的開爾文-亥姆霍茲渦結構。 當雷諾數改變時，作用在方柱上的流體力變化也很大。Yoon等[13]和Sohankar等[17，18]發現，在層流區(Re＜)，平均阻力系數隨著雷諾數的增大而呈指數下降，Sohankar等[18，25]發現，在湍流區(Re＞Re c2)，當雷諾數小于2×104時，平均阻力系數隨著雷諾數的增大而增大，而當雷諾數大于2×104時，平均阻力系數趨于平穩。與此同時，當Re＞50時，均方根升力系數隨雷諾數的增大而增大，當Re＞2×104時，均方根升力系數逐漸趨于平穩。 Jiang等[26]模擬研究了單方柱二維渦向三維渦的轉變過程。他們得出當雷諾數大于165.7時，旋渦發生不穩定現象，進入模式A，緊接著在Re為185～210時發生了模式A向模式B的轉變。模式A和模式B的尾流均出現了滯后現象。與此同時，Jiang和Cheng[27]還在同年通過直接數值模擬研究了Re在10～400范圍內單方柱的二維和三維繞流特性，研究發現了3個特殊的臨界雷諾數，分別為165.7、210和330。當Re=165.7時，開始出現二次不穩定尾流，并且觀察到三維流動特性的突然增加，這是由于在模式A下流動三維特性突顯。當Re＞210時，模式B的流動結構變得很雜亂，尾流也變得越來越湍急。當Re≈330時，管柱上下兩側回流區一會兒消失一會兒再現。前兩個臨界雷諾數下的特性在圓柱繞流中也存在，而第三個臨界雷諾數時的特性則未在圓柱繞流中發現。 1.1.3 串列雙柱繞流 兩個柱體緊湊布置是群柱布置的*基本單元。認識雙柱繞流特性是分析群柱繞流特性的基礎。雙柱*簡單的布置形式是串列布置，如圖1.1所示，學者關注較多的變量一般是雙柱圓心的間距L、雷諾數Re、雙柱直徑比DUC/DDC等。在很多情況下，探究雙柱間距的影響時會定義一個無量綱間距比L/D，有時也用雙柱臨近壁面的間隙G作為研究參數。通過研究獲得不同工況下的柱體升力系數、阻力系數、斯特勞哈爾數等，結合捕捉的流場信息，分析對比改變不同參數對雙柱流體力系數和流場特性的影響。 圖1.1 雙柱布置示意圖 *早關于串列雙柱的實驗研究出現在Biermann和Herrnstein[28]的文章中，他們通過實驗發現兩個柱體的間距變化會使柱體表面阻力系數發生明顯的變化。由于流體沖擊在上游圓柱，下游圓柱因為上游圓柱的“遮蔽”作用，避免了來流的直接沖擊，同時上游圓柱產生的尾渦交替撞擊在下游圓柱表面，對下游圓柱表面剪切層產生了干擾，使得兩個圓柱的表面流體力系數存在明顯差異。 間距比是影響串列雙柱繞流特性的關鍵參數。不同間距比帶來的*直觀的差異就是流動模式的不同。Igarashi[29]在1981年根據不同間距比，將串聯的兩個圓柱進行了模式分區，劃分了6種流動模式：①上游剪切層越過了下游圓柱，如圖1.2(a)所示；②兩個圓柱之間剪切層卷起，一側再附著于下游圓柱表面，一側越過下游圓柱向下游發展，并且下游圓柱的近尾跡處有旋渦脫落，如圖1.2(b)所示；③雙柱之間出現準穩態渦，如圖1.2(c)所示；④準穩態渦逐漸不平穩，旋渦脫落間歇性發生，如圖1.2(d)所示；⑤圓柱之間的剪切層間歇性卷起，如圖1.2(e)所示；⑥柱間距離足夠長，上游圓柱的剪切層不會附著在下游圓柱上，如圖1.2(f)所示。 圖1.2 不同流動模式分區 當兩個圓柱的直徑比不為1時，其流動模式與同直徑圓柱相比，表現出了不一樣的特征。變直徑的串聯圓柱可以分為直徑比大于1(上游圓柱直徑大于下游圓柱)和直徑比小于1(上游圓柱直徑小于下游圓柱)兩大類。簡單的變直徑雙圓柱布置形式如圖1.3所示。直徑比改變時，雙柱之間的流動干涉也發生相應的變化。 圖1.3 不同直徑圓柱串聯布置示意圖 Igarashi[30]研究了直徑比大于1的串聯雙柱，觀察到4種流動模式：完全分離(complete separation)、再附著流(reattachment flow)、雙穩態流(bistable flow)和跳躍流(jumpedflow)，如圖1.4所示。發生完全分離模式時[圖1.4(a)]，上游圓柱的剪切層不會觸碰到下游圓柱，而是越過下游圓柱，在下游圓柱的前側形成流動停滯區，因為流體被上游圓柱遮擋而改變了流動方向；上游圓柱剪切層再附著于下游圓柱表面[圖1.4(b)]時，旋渦變得更加規律；雙穩態流[圖1.4(c)]的雙柱間隙中可以觀察到一對準穩態渦；跳躍流[圖1.4(d)]意味著流場中出現了剪切層的交替附著和模式之間的轉換。Alam等[31]提出兩個直徑相同的串聯圓柱的流動可分為3種主要模式：①延伸體模式(L/D＜0.7)，圓柱間距比較小，間隙內流動停滯；②再附著模式(L/D=0.7～3.5)，從上游圓柱分離出來的剪切層再附著在下游圓柱表面，間隙內流動仍不明顯；③共同脫落模式(L/D＞3.5)，剪切層在圓柱間隙中交替卷曲，因此間隙內流動顯著。而在串聯圓柱直徑比小于1的情況下，一定間距下的串聯大小圓柱間還存在穩定再附著和交替再附著模式，這些附著情況的出現與尾流模式的轉換、雷諾數和圓柱間距密切相關。 圖1.4 4種流動模式 針對不同的布置，雙圓柱之間表現出復雜的相互作用。對于穩定流中的一對圓柱，上游圓柱的尾部旋渦改變了下游圓柱的流動條件，而下游圓柱干擾了上游圓柱的尾跡動力狀態和渦流形成區域。這種相互作用表明，雙柱的存在可能起到激發旋渦脫落的作用，也可能降低了流場中的湍流強度，起到了穩定流動結構的作用。因而很多學者對大小圓柱的流場結構和升阻力等系數進行了研究。 Dalton和Xu[32]發現在主圓柱附近添加附屬圓柱，可以消除一定雷諾數下主圓柱的旋渦脫落，顯著降低渦激振動發生的可能性。這種抑制效果對來流攻角和雙柱中心間距比都很敏感。Lee等[33]通過流動可視化結果發現，根據縱向間距比的不同，可以將流動分為兩種不同的流動模式，即空腔模式和尾跡沖擊模式。當上游放置一個小圓柱時，對下游圓柱起到減阻作用，并找到對主圓柱具有*大減阻效果時的臨界間距。Wang等[34]對圓柱的升阻力變化做出了一些解釋，提出上游圓柱分離點的遷移是下游圓柱平均阻力系數大幅度減小的主要原因；下游圓柱升力的波動值取決于上游圓柱旋渦脫落強度和旋渦形成長度。隨后Wang等[35]發現串聯布置不同直徑雙柱的旋渦脫落方式不同。當雙柱間距
繞流與低雷諾數渦激振動 作者簡介
朱紅鈞，教授，博導，主要從事深水復雜油氣領域多場多相耦合力學基礎研究。主持、主研國家自然科學基金等項目29項，發表學術論文100余篇（SCI收錄56篇），引用407次，H因子12，授權發明56項，出版專著3部、編著8部、規劃教材5本，參與國內外學術報告20余次，擔任JFM、JFS、OE等26個SCI期刊審稿專家，研究成果被有效轉化，取得經濟效益逾25億元，先后獲四川省學術與技術帶頭人后備人選、四川省五一勞動獎章、中國高校礦業石油與安全工程領域很好青年科技人才稱號，獲四川省很好共產黨員、霍英東青年教師獎、全國高校雙帶頭人黨支部書記工作室負責人、四川省勞模創新工作室負責人、省部級以上教學競賽獎7項、省部級教學成果獎3項。
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