刚度系数对圆柱涡激振动漩涡脱落模态的影响

宗瑞雪

涡激振动现象出现在许多工程领域中，如海洋输油管、桥梁、飞机机翼等结构的涡激振动。涡激振动经常会对工程结构产生严重的破坏，以至于造成严重的后果，带来巨大的人员伤亡和财产损失。因此，几十年来，人们对于涡激振动的研究一直未停止过，并取得了大量的成果。通过将圆柱简化成二维的质量弹簧系统，采用动网格技术，利用CFD软件进行仿真计算，是当前研究圆柱涡激振动问题的常用方法。本文基于CFX软件，采用 κ－ω SST湍流模型对固定雷诺数、不同刚度条件下的圆柱涡激振动漩涡脱落模态进行研究。

一、控制方程

1、流体控制方程

采用粘性不可压缩流体的N-S方程来描述湍流的运动，方程如下：

2、圆柱运动控制方程

可以将模型简化为一个简单的质量弹簧系统，如下：

则圆柱的振动方程可以表示为：

二、模型的建立和参数设定

计算域及网格的划分如图1所示

图1

圆柱直径为10mm,外部流域为200mm*100mm的方形流场，流体类型为水，来流速度0.2m/s。雷诺数近似等于2000。进口来流速度设置为0.2m/s，出口压力设置为0 Pa，上下壁面设置为Free Slip Wall。差分格式为高阶求解模式，时间步长

三、仿真结果

根据文献[1]可知，在不同的响应分支下，漩涡脱落的模态也不同。文献中指出“初始支”对应着“2S（2-single）”模态，“下支”对应着“2P（2-pair）”模态。本文通过对不同刚度条件下的涡激振动进行仿真来研究漩涡的脱落模态，分别对三种情况进行仿真。

四、结论

1）在涡激振动中，随着刚度的变化漩涡脱落的模态也会跟着变化；

2）随着刚度越来越大，涡激振动漩涡脱落的模态逐渐从2P（2-pair）模态转变为2S（2-single）模态；

3）当刚度达到一定值时，刚度即使在增大，也不会再对漩涡脱落模态产生影响，漩涡脱落模态保持为2S（2-single）模态。

[1]Khalak A , Williamson C-H-K Motion force and mode transitions in vortex induced vibration at low mass damping[ J]. Journal of Fluids and Structures, 1999, 13( 7 - 8) : 813 - 851.

[2]宋学官，蔡林，张华. ANSYS 流固耦合分析与工程实例，水利水电出版社

[3]徐枫，欧进萍.低雷诺数下弹性圆柱体涡激振动及影响参数分析.计算力学学报 2009年10月，第26卷第5期.

[4]何长江，段忠东．二维圆柱涡激振动的数值模拟[J]．海洋工程，2008(1)：57—63．

[5]梁亮文.低雷诺数下圆柱横向受迫振荡和涡激振动的数值分析.[硕士论文]上海:上海交通大学,2009 年.