平直槽道內柱體繞流場中流致振動的研究

《平直槽道內柱體繞流場中流致振動的研究》是依託寧波大學，由蔣仁傑擔任負責人的國家自然科學基金資助青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：平直槽道內柱體繞流場中流致振動的研究
• 依託單位：寧波大學
• 項目負責人：蔣仁傑
• 項目類別：青年科學基金項目

項目簡介

以一種新型的動力學系統：平直槽道內柱體繞流場中流致柱體振動（PFIV）為研究對象，旨在對其動力學行為及其內在機理進行探索。擬採用二維和三維格子Boltzmann方程對單自由度（振子僅作橫向運動）與雙自由度（振子可同時作橫向運動和繞柱體軸線旋轉）系統分別加以直接數值模擬。獲得按單體、並列和串列雙體等方式排列的圓柱形和方柱形振子，在不同物理參數條件下的運動方式以及相應的流場結構。針對單自由度單圓柱PFIV，擬通過引入等效彈性係數概念建立一個初步的理論模型並以此分析其動力學機制。分析PFIV與彈性支撐柱體的形成機理的異同，以深化對流致振動（FIV）內在本質的認識。通過本項目研究可全面認識PFIV的動力學行為及其形成機理，為確立其作為一種新型FIV提供科學依據，而且為設計高效混溶器和換熱器提供新的思路。

結題摘要

本項目通過格子Boltzmann方法研究一種新型渦激振動（VIV）系統：Poiseuille流致振動（PFIV）並取得以下進展：（1）研究了圓柱與方柱PFIV在不同雷諾數、阻塞率、質量比及截面長寬比等物理參數下的動力學行為。結果顯示柱體振動廣泛存在並表現為周期振動、擬周期振動、拍擊振動、弛振等多種不同特徵的運動模態與雙列渦、單列渦、多渦脫落等多種尾流模態。觀測到臨界質量比、臨界阻塞率與臨界截面長寬比等臨界現象。（2）對於雙柱體PFIV，間距比往往起著關鍵性作用。當間距比較小時，柱體之間由於間隙流而產生強烈的相互干擾。柱體耦合運動發生多次相變並表現為同步同相振動、同步反相振動、競爭振動、翻滾振動等多種模態。（3）引入穩定平衡位置、等效彈性係數等概念並結合柱體受力、頻譜與渦脫落模態分析，揭示了各種運動模態的形成與轉捩機理並解釋了所觀測到的臨界現象。研究成果闡明了PFIV的內在機理，並通過與彈性體VIV進行對比分析，發現二者之間存在內在關聯，從而深化了對VIV本質的認識。（4）在亞臨界區圓柱PFIV與低截面長寬比方柱PFIV中，均觀測到了高質量比大振幅振動，為研發依據PFIV機制的混溶器、換熱器和渦街流量計提供新的思路與科學依據。