横向振荡柱体尾流的控制

The flow across a forced transversely oscillating cylinder is the basis of vortex-induced cylinder vibration. The influence parameters of forced oscillating cylinder flow include Reynolds number, non-dimensional frequency and amplitude of the oscillation. There exist non-lock-on and various lock-on modes of vortex shedding in the oscillating cylinder wake at different parameters. The generation mechanism of lock-on modes of vortex shedding can be referred to as the amplification and downstream propagation of the sinusoidal wave signal provide by the oscillating cylinder, which belongs to the wake stability problem. The control of lock-on modes of vortex shedding can be transformed into the control of the wake stability. There are three factors to influence the stability of high Reynolds number wake: time-averaged velocity field, Reynolds turbulent stress field, and boundary conditions. The eddy viscosity of wave is introduced to establish the relation between the Reynolds stress and the velocity gradient of the disturbance wave. The methods of base blowing, narrow strip elements, and splitter plate are used to change the velocity field, the eddy viscosity and the boundary condition, respectively. The changes of the wake stability and vortex shedding induced by the control methods will be investigated. The flow field behind the oscillating cylinder will be measured by PIV. The Chebyshev matching point method will be used to solve the local linear stability equation. An upstream boundary condition of the flow field is used, which represents the signal applied by the oscillating cylinder, and the non-reflection condition is used to the downstream boundary. A set of orthonormal base functions is formed by POD method, the nonlinear inhomogeneous system of ordinary differential equations about the amplitudes of the POD modes is established by Galerkin method, and the control mechanism is discussed by nonlinear global stability analysis.

横向强迫振荡柱体绕流控制是柱体涡激振动控制的基础。横向振荡柱体尾流的影响参数包括雷诺数、无量纲振频和振幅。横向振荡柱体尾流中存在非锁频和各种锁频旋涡脱落模式。锁频旋涡脱落的生成机制可归结为柱体振荡信号在下游的传播与放大，属于尾流稳定性问题。涡脱落的控制可转化为尾流稳定性的控制。高雷诺数尾流稳定性的影响因素有：时均速度场，湍流应力场和边界条件。引入波动涡粘系数，建立扰动波所受雷诺应力与扰度速度梯度之间的关系。用尾部喷射方法改变时均速度场，用单窄条或双窄条控制件方法改变波动涡粘系数，用隔离板方法改变边界条件，分别研究尾流稳定性的改变和旋涡脱落的抑制情况。用PIV测量振荡柱体后面的速度场，用车比雪夫配置点方法求解局部线性稳定性方程；引入流场上游边界条件代表柱体振荡驱动，并在下游边界引入无反射条件，用POD方法求出正交基函数，用Galerkin方法建立非齐次常微分方程组，研究整体稳定性和控制机理。

海流作用于石油平台导管、海底输油管线；风作用于电厂冷却塔、电视塔、输电线路等，可能引发涡激振动，形成以横向振动为主的流固耦合问题。目前已有的一些消减涡激振动的方法，应用范围有限，还不能满足广泛的工程需求。本项目在充分研究横向振荡柱体尾流基本旋涡脱落模式基础上，提出用窄条控制件、尾部喷射、隔离板等三种方法，进行柱体尾流控制。在振幅范围A/D=0~1.5， 折算速度范围Ur=4~28，及雷诺数范围 Re=1000~6000内，通过大量的数值模拟和实验，进行了细致、系统的控制研究。窄条方法用于控制横向振荡柱体的2S，2P， P+S等主要旋涡模式。对于每种旋涡模式，给出了旋涡相对强度在窄条位置平面上的等值线分布，从而找出了有效抑制的窄条位置区域，并在该平面上画出了窄条干扰后新的旋涡脱落模式区域分布图。研究了未控制尾流2P和P+S等旋涡脱落模式的形成机制，指出柱体运动产生的横向剪切流在旋涡形成中起重要作用，该剪切流受来流影响后产生倾斜，倾斜角的大小决定旋涡脱落模式。指出窄条对尾流的影包括 窄条对旋涡的阻挡作用、窄条尾流对柱体旋涡的排移作用，及窄条旋涡与柱体旋涡的合并、抵消、共存。尾部喷射的相对速度是主要控制参数，对于不同的振幅，在折算速度--相对喷射速度组成的平面上给出了受喷射干扰后出现的各种旋涡脱落模式区域和旋涡抑制区域图。抑制区主要出现在折算速度Ur>14的区域。研究了振幅对各旋涡模式区域的影响。用Floquet理论研究了柱体振荡引起的下游波动流的速度剖面（时间相关速度剖面）稳定性；得到未加控制的波动尾流，其Floquet乘子模在各流向位置都是明显大于1，而一定喷射速度的波动尾流，其乘子模在各流向位置都小于1，说明在喷射下扰动衰减，无法形成旋涡脱落。对隔离板，研究了其对2S, 2P, P+S等旋涡脱落模式的影响。对每种旋涡模式，在相对板长--相对间距平面上给出了柱体旋涡相对强度等值线分布图。研究了柱体输出功率，在上述平面上给出了相对输出功率分布。隔离板最高可减少11%的输出功率。以上研究，为工程应用打下了基础。