方柱渦致振動(dòng)及減阻機(jī)理的數(shù)值研究

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1、國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：TB126國(guó)際圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：530工學(xué)碩士學(xué)位論文方柱渦致振動(dòng)及減阻機(jī)理的數(shù)值研究碩士研究生：汪超導(dǎo)師：周超英教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科、專(zhuān)業(yè)：機(jī)械電子工程所在單位：深圳研究生院答辯日期：2008年12月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TB126U.D.C:530DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringNUMERICALSTUDYONVORTEX-INDUCEDVIBRATIONOFASQUARECYLINDERANDITSSUPPRES

2、SIONCandidate:WangChaoSupervisor:Prof.ZhouChaoyingAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechatronicsEngineeringAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence:December,2008Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要在與流

3、體有關(guān)的機(jī)械與工程中，渦誘發(fā)振動(dòng)(Vortex-InducedVibrations，VIV)是一涉及安全性的重要問(wèn)題。在一些不利的條件下，流體誘發(fā)振動(dòng)可能造成結(jié)構(gòu)坍塌，甚至引發(fā)災(zāi)難事故。而在實(shí)用結(jié)構(gòu)物中方形柱體是一種常見(jiàn)的形狀，因此研究方柱的繞流問(wèn)題成為研究相關(guān)工程問(wèn)題的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，同時(shí)由于方柱繞流包含著諸多的流體力學(xué)基本現(xiàn)象如邊界層分離、層流湍流轉(zhuǎn)捩等，因此方柱繞流的研究具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景和重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。本文利用流體力學(xué)數(shù)值方法，對(duì)來(lái)流雷諾數(shù)為200條件下彈性支撐方柱的渦致振動(dòng)現(xiàn)象，以及通過(guò)在方柱上游放置控制片來(lái)減阻和

4、減振的控制機(jī)理進(jìn)行了研究。文中的流場(chǎng)模擬利用了計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，通過(guò)求解不可壓縮粘性流體Navier-Stokes方程獲得流場(chǎng)的各物理量；柱體的振動(dòng)模擬采用了質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，采用經(jīng)典的龍格-庫(kù)塔方法求解柱體振動(dòng)方程；流體與固體之間的耦合利用了FLUENT的用戶(hù)自定義函數(shù)(UDF)，將柱體的振動(dòng)響應(yīng)嵌入到FLUENT，實(shí)現(xiàn)了交替計(jì)算流場(chǎng)分布和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的流固半耦合計(jì)算，即在每一時(shí)間步計(jì)及流體與固體的相互作用分別求解流體運(yùn)動(dòng)的控制方程和柱體的振動(dòng)方程，從而模擬流體和方柱之間的非線(xiàn)性耦合作用。對(duì)來(lái)流雷諾數(shù)為20

5、0條件下彈性支撐方柱的渦致振動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，成功地捕捉到了“鎖定”、“拍”和“相位反相”等現(xiàn)象，詳細(xì)分析了小雷諾數(shù)條件下方柱位移、振幅、尾渦形態(tài)和升阻力系數(shù)等在不同的頻率比和質(zhì)量比條件下的變化規(guī)律。論文還進(jìn)一步針對(duì)在方柱前放置控制片的流動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行了研究，系統(tǒng)地分析了控制片高度以及控制片與方柱間的間距對(duì)方柱的升阻力系數(shù)以及尾流特征的影響，分析了控制片對(duì)方柱繞流的減阻和減振機(jī)理，并揭示了臨界間距和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的存在，以及在不同條件下，控制片減阻和減振的最佳放置位置。論文研究成果對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題有很好的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞方柱繞流；渦

6、致振動(dòng)；減阻I哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractTheflowaroundacylindricalstructurehasreceivedgreatattentionduetoitsimportanceinboththeoryandpractice.Vortexinducedvibration(VIV)isanoftenseenphenomenoninengineering.Itmaycausestructuredamageandevendisasterundersomeunfavorableconditions

7、.ThereforeitissignificanttounderstandhowthevibrationbehaviorsandwhatthemechanismiswiththeVIV.Inthisthesis,anumericalstudyonVIVofanelasticsquarecylinderanditscontrolusingacontrolplateplacedinfrontofthecylinderiscarriedout,wheretheReynoldsnumberiskeptat200.Forsolving

8、theincompressibleviscousfluidN-Sequation，computationalfluiddynamicssoftwareFLUENTisusedandthedomaindecompositionmethod(DDM)isappliedtogeneratethe