基于UDF的前置隔板墩台涡激振动抑制数值分析

摘 要：采用用户自定义函数（UDF）中三大宏编程更新墩台的质心位置和振动状态，通过建立墩台涡激振动数值模型并结合嵌套网格技术，对有无前置隔板墩台的水动力特性进行分析，结果表明：设置前置隔板后，约化速度为6～7时墩台的回流区顺流向长度和涡流长度随着约化速度增大显著减小，而无前置隔板时墩台表现出相反趋势，前置隔板有效抑制了尾流扰动。约化速度为7～9时，有前置隔板墩台的回流区顺流向长度和涡流长度比无前置隔板墩台的小，前置隔板减弱了涡激振动对墩台的影响。前置隔板有效延迟了旋涡脱落时间，墩台上下表面压力分布更为均匀，减弱了墩台的涡激振动响应。

关键词：UDF；前置隔板；墩台；涡激振动抑制；嵌套网格

中图分类号：O357.5+2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.02.024

引用格式：施佳科，李东风，陈姿妙，等.基于UDF的前置隔板墩台涡激振动抑制数值分析[J].人民黄河，2025，47（2）：156-160.

基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（LZJWZ22C030001，LZJWZ22E090004）；浙江省水利厅水利科技项目（RB2115）；国家重点研发计划项目（2016YFC0402502）；国家自然科学基金资助项目（51979249）

NumericalAnalysisofVortexInducedVibrationSuppression ofFrontPartitionPierBasedonUDF

SHIJiake1，2，LIDongfeng2，CHENZimiao2，WULuobin2，FANGZhihao1，3，BAIFuqing2，HUJianyong2

（1.SchoolofNavalArchitectureandMaritime，ZhejiangOceanUniversity，Zhoushan316022，China；2.SchoolofHydraulicEngineering，ZhejiangUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Hangzhou310018，China；3.ShanghaiZhongshenIndustryCo.，Ltd.，Shanghai200131，China）

Abstract：UserDefinedFunctions（UDF）withthreemajormacroprogrammingwasusedtoupdatethecentroidpositionandvibrationstateof thepier，anumericalmodelofvortexinducedvibrationofthepierwasestablishedandcombinedwithnestedgridtechnologytoanalyzethe hydrodynamiccharacteristicsofthepierwithandwithoutprepartitionplates.Theresultsshowthataftersettingupthefrontpartition，the downstreamlengthandvortexlengthofthebackflowzoneofthepiersignificantlydecreasewiththeincreaseofthereducedvelocitywhenthe reducedvelocityis6-7，whilethepierwithoutaprebaffleshowstheoppositetrend.Theprebaffleeffectivelysuppressesthewakedisturb？ ance.Whenthereducedspeedisbetween7and9，thelengthofthedownstreamandvortexintherecirculationzoneofthepierwithafront baffleissmallerthanthatofthepierwithoutafrontbaffle.Thefrontbafflereducestheimpactofvortexinducedvibrationonthepier.The frontpartitioneffectivelydelaysthevortexsheddingtime，andthepressuredistributionontheupperandlowersurfacesofthepierismoreu？ niform，weakeningthevortexinducedvibrationresponseofthepier.

Keywords：UDF；frontpartition；pier；vortexinducedvibrationsuppression；nestinggrid

在水工建筑物设计中，河道、溢洪道和消力池等水道中的闸墩、分隔墩、消力墩等多以墩台形式呈现[1-2]，水流绕过墩台后产生涡激振动，会引起墩台结构破坏[3-4]。学者们对海洋工程、机械工程和航空航天工程等领域的流体流动旋涡抑制研究较为深入[5-7]，但在水利工程领域的研究不多[8]。流体流动旋涡抑制分为主动抑制和被动抑制，其中主动抑制需要对水流运动系统额外输入能量，虽然可以抑制旋涡，但额外增加了能源动力费用，对水工建筑物的运行和管理也会带来一定困难。相较而言，被动抑制只需要优化设计墩台的几何外形，或添加隔板等附属扰流装置，就可以抑制流体分离和涡激振动[1-2]。Zdravkov？ ich[9]对各种流体流动旋涡被动抑制技术进行了全面总结；Gao等[10]对设有不同长度前置隔板的圆柱体进行了风洞实验，发现前置隔板长度等于圆柱体直径时，与无前置隔板相比，其平均阻力系数、均方根升力系数分别减小36%、63.6%。然而，以往研究尚未揭示抑制水工建筑物圆形墩台涡激振动的机理。

本文以Khalak等[11]开展的经典实验为基础，构建墩台涡激振动数值模型，设置计算域边界条件，应用UDF方法求解墩台双向流固耦合问题，通过将相同几何动力参数的无前置隔板墩台涡激振动数值模型模拟结果与Khalak等[11]得出的经典实验结果进行对比，验证数值模型的精确性，分析有无前置隔板墩台尾迹变化情况、旋涡脱落情况、瞬时压力系数分布，进而揭示墩台涡激振动抑制机理。

1 墩台涡激振动数值模型构建和验证

1.1 流场控制方程

1.3 模型定解条件

建立墩台涡激振动数值模型（见图1），计算域尺寸为20D×40D（其中D为墩台直径，取值0.0381m）。设置计算域边界条件与Khalak等[11]开展的经典实验边界条件相同，即水流流入计算域的入口边界为速度进口边界，出口边界为压力出口边界，水流与墩台的接触面为固壁边界（无滑移壁面边界），计算域的顶部和底部均为对称边界。将来流方向设置为x方向，垂直来流方向设置为y轴方向。把结构初始速度和位移均为0作为初始条件。

墩台中心位于距离速度进口边界和两个对称边界10D处，前置隔板长度、厚度分别取D、0.06D[12]。实际来流速度U∞为0.0762～0.1524m/s时，对有无前置隔板的墩台涡激振动进行数值分析。上述实际来流速度范围对应约化速度Ur范围为5～10，其表示结构振动一个周期内流体路径与结构特征尺寸的比值，是速度的无量纲参数。

1.4 嵌套网格划分与插值处理

为分析隔板与墩台周围的水体流动特征，采用嵌套网格技术将整个计算域划分成背景网格（网格数量为41936个），将与墩台同心半径为3D的圆作为伴随运动区域。对网格进行插值处理，组分网格最外层边界被定义为Overset边界，以便其与背景网格之间进行流场信息传输，插值前后网格对比见图2。

1.5 UDF实现原理

在Fluent中每个刚体都有定义的质心。DEFINE_CG_MOTION是用户自定义函数的一种宏，用于定义刚体的质心运动。函数控制刚体质心的运动方式，通过计算线速度和角速度，间接更新刚体位置，描述刚体在流场中的运动规律。结构振动会导致流体边界随时间变化，UDF可定义边界随振动结构的运动规律。DEFINE_GRID_MOTION是一种用于定义网格动态运动的宏，通过直接修改网格中的节点坐标，实现复杂的边界运动和流固耦合，灵活模拟动态网格。UDF还可以自定义输出，提取研究所需数据。DEFINE_EXECUTE_AT_END是一种执行用户自定义计算任务的宏。在每个仿真时间步结束时，采用Fluent调用龙哥库塔四阶方程函数，以便更新墩台的振动状态（位移和速度）。

1.6 双向流固耦合求解

双向流固耦合求解过程见图3。

1.7 模型预测精度验证

对墩台结构参数进行无量纲设定：质量比为10，阻尼比为0.00542，固有频率为0.4Hz。通过将相同几何动力参数的无前置隔板墩台涡激振动数值模型预测结果与Khalak等[11]得出的经典实验结果进行比较，验证数值模型的预测精度。选择最大振幅比与振动频率进行对比，结果见图4[图（b）中fn为结构固有频率，fb为结构实际振动频率，当两者一致时会产生共振]，预测结果与经典实验结果（定量和变化趋势）较一致，说明数值模型具有较高的预测精度。

2 前置隔板墩台涡激振动抑制机理分析

2.1 墩台尾迹变化

图5为来流约化速度Ur=7时有无前置隔板墩台的速度均方根（Urms）等值线，其可反映墩台尾迹旋涡的强度和范围。图5中回流区顺流向长度Lr代表时均顺流向速度最小值所处位置与墩台中心的距离，对称分布的2个Urms峰值代表剪切层旋滚位置，涡流长度Lv代表墩台中心和剪切层旋滚位置之间的流向距离，尾流宽度W代表2个Urms峰值之间的纵向距离。分析图5可知，速度均方根等值线在尾迹轴上呈现出良好的对称性。墩台的存在以及剪切层的分离，使尾迹区产生较为明显的低流速区域。回流区末端与尾迹轴上速度最大值所处位置密切对应。有前置隔板墩台的Lr、Lv值分别比无前置隔板墩台的降低了3.0%、2.2%。从x=0.5D、y=0.2D处剪切层附近的等值线可以看出，有前置隔板墩台的水体流速梯度较小，抑制了分离流的扩散效应，剪切层之间的距离更近。

有无前置隔板墩台的尾迹参数见表1。Ur为6～7（实际来流速度为0.09144～0.10668m/s）时，有前置隔板墩台的Lv和Lr值随着约化速度增大显著减小，而无前置隔板墩台的Lv、Lr值随着约化速度增大显著增大，说明在此速度区间内前置隔板有效抑制了尾迹的扰动。Ur为7～9时，有前置隔板墩台的Lv、Lr值均小于无前置隔板墩台的。回流区较短时，涡流强度低，涡激振动幅度小。涡流长度较短时，涡流作用时间不够持久，产生的振动幅度较小。因此，设置前置隔板减弱了涡激振动对墩台的影响。

2.2 墩台周期性旋涡脱落

图6为无前置隔板墩台的涡量等值线，可反映墩台尾迹旋涡的周期性脱落情况。y/D<0的涡量等值线反映0～T/2时段的旋涡脱落情况（T为旋涡脱落周期），y/D>0的涡量等值线反映T/2～T时段的旋涡脱落情况。分析图6可知，墩台两侧剪切层中显示出较高的涡流强度，剪切层不断向下游移动。t=0时刻的涡量等值线显示了从底部剪切层开始的逆时针旋涡，随着时间延长，旋涡范围增大。0～T/2时段，涡脱后涡量逐渐减小，同时向下游移动并扩展，涡量等值线在涡流中分布较为均匀，涡流涡量耗散较慢。当时间超过T/2时，来自上部剪切层的涡流出现夹带y/D=0以下旋转方向相反的涡流趋势。当时间超过3T/4时，即将脱离的涡旋有被墩台尾迹另一侧水流切断趋势。

有前置隔板墩台的涡量等值线见图7。分析可知，与无前置隔板墩台相比，0～T/2时段有前置隔板墩台时其尾部旋涡在发展时受流体干扰较持久，导致脱落时尺寸较小，涡结构受到明显抑制，表明前置隔板延缓了流体在墩台后部的旋涡脱落行为。涡量等值线在涡流中分布较不均匀，前置隔板削弱涡量较为明显。因此，设置前置隔板墩台增加了旋涡脱落前流体的动能耗散，减少了流场对墩台的作用力。

2.3 瞬时压力系数分布

图8为有无前置隔板墩台表面的瞬时压力系数Cp分布情况（图中x/D为-1.5～-0.5时对应于顺流向前置隔板结构，x/D为-0.5～0.5时对应于顺流向裸墩台结构）。对于无前置隔板墩台，约化速度为5时Cp分布呈现倾斜的“8”字形，墩台上下表面Cp差值显著，导致振动响应增强；约化速度增大到8和10时，墩台上下表面Cp分布较一致，从而减弱了振动响应。对于有前置隔板墩台，约化速度为8、10时x/D为-1.5～-1.0（隔板前半部分）处墩台上表面Cp大于下表面Cp，x/D为-1.0～-0.5（隔板后半部分）处墩台下表面Cp大于上表面Cp，两种方向相反的水流力作用在有前置隔板墩台表面，对总水流升力几乎没有贡献。x/D为-1.5～0.5（从隔板起始位置到隔板尾部）处，隔板上的Cp差呈现先减小后增大再减小趋势。原因是前置隔板上的水体流动类似于在细长钝体上的流动，在隔板前缘与墩台交界处存在明显的回流区，使墩台前端速度波动，导致前置隔板上存在过渡流[13]。约化速度为10时，有前置隔板墩台上下表面压力分布均匀，没有明显的压力差，导致升力几乎为0，从而抑制了涡激振动。

3 结论

1）通过建立涡激振动数值模型，采用嵌套网格技术实现了流场信息传输，基于UDF三大宏编程实现网格动态运动以及更新墩台的质心位置和振动状态。通过将模型预测结果与经典试验结果进行对比，验证了模型具有较高的预测精度。

2）与无前置隔板墩台相比，有前置隔板墩台改善了尾部的水动力特性。约化速度为6～7时，前置隔板有效抑制了尾流扰动。约化速度为7～9时，有前置隔板时墩台回流区顺流向长度和涡流长度比无前置隔板墩台时小，前置隔板减弱了涡激振动对墩台的影响。

3）前置隔板延迟了旋涡脱落发生时间，墩台上下表面压力分布较为均匀，导致升力几乎为0，有效减少了涡激振动带来的不利影响。

参考文献：

[1] 闫秀秀，尹进步，张曜，等.导流洞复合式出口消能体型的研究与应用[J].人民黄河，2024，46（4）：157-162.

[2] 赵雪萍，李璐，赵玉良，等.沟水坡水库溢洪道弯道水流及消能实验研究[J].人民黄河，2022，44（5）：128-131，146.

[3] 吴新，邹志风.旋转方式对并列双圆柱绕流特性的影响[J].人民黄河，2017，39（11）：71-75.

[4] 黄友明.水力学的基本理论及其在土木工程中的应用：评《水力学（第三版）》[J].人民黄河，2024，46（4）：163.

[5] 孔令辉，刘东，张雷，等.水力机械抗空蚀涂层研究进展[J].人民黄河，2023，45（6）：157-162.

[6] 杨卓媛，夏军强，宋红波，等.大型水库运用对河口尾闾河道出汊的影响研究[J].人民黄河，2024，46（4）：37-42.

[7] 梁艳洁，赵正伟.黄河口渔洼河段河势及治理方案研究[J].人民黄河，2023，45（11）：65-69.

[8] 郭博文，高玉琴，范冰，等.基于LES的水工钢闸门流激振动数值模拟研究[J].人民黄河，2024，46（3）：126-131.

[9] ZDRAVKOVICHMM.ReviewandClassificationofVarious AerodynamicandHydrodynamicMeansforSuppressing VortexShedding[J].JournalofWindEngineeringandIndus？ trialAerodynamics，1981，7（2）：145-189.

[10] GAODL，CHENGB，HUANGYW，etal.FlowCharacter？ isticsofaFixedCircularCylinderwithanUpstreamSplitter Plate：OnthePlate？LengthSensitivity[J].Experimental ThermalandFluidScience，2020，117：110135.

[11] KHALAKA，WILLIAMSONHKC.Motions，ForcesandMode TransitionsinVortex？InducedVibrationsatLowMass？ Damping[J].JFluidsStruct，1999，13（7-8）：813-851.

[12] WANGEH，ZHAOSH，XUWH，etal.EffectofSplitter PlateLengthonFIVofCircularCylinder[J].International JournalofMechanicalSciences，2023，254：108413.

[13] CHUTKEYK，SURIYANARAYANANP，VENKATAKRISHNAN L.NearWakeFieldofCircularCylinderwithaForward SplitterPlate[J].JournalofWindEngineeringIndustrial Aerodynamics，2018，173：28-38.

【责任编辑 栗 铭】