虚拟边界新改进方法研究柱群涡致振动的被动控制问题

流体绕流柱型钝体时，在物体尾部形成规则的旋涡脱落。在物面两侧的压力产生交替变化，从而产生作用于物体上的交变载荷。在这种载荷的作用下，弹性物体将被诱发产生振动。涡致振动不仅表现为对物体结构的长期疲劳损伤，还可能使结构产生共振，使结构在瞬间遭到破坏。柱群涡致振动的被动控制是希望通过对构形进行几何改变以抑制旋涡的脱落。由于问题的复杂性，目前尚没有有效的方法进行数值模拟。虚拟边界法是近年发展起来的绕流流动计算方法，它让流体充满绕流物体所在的空间，物体的边界效应通过在流体运动方程的右端附加一个反馈力的形式实现。这样便易于对复杂的流场施行严格的边界条件。改进后的虚拟边界法，把附加力同时作用在物面和物体内部，能增加计算的收敛速度，同时保证流动解的正确性。采用虚拟边界法探索求解柱群涡致振动特性，从而形成柱群涡致振动的被动控制，并研究虚拟边界法收敛性能，它的工程意义和应用价值十分明显。

钝体绕流是流体力学的经典问题之一，不同排列组合柱群绕流问题比较复杂，许多流动机理尚不清楚，对这一问题国内外的研究很普遍。本课题主要对于柱群涡致振动的被动控制问题进行了研究，采用数值模拟的方法研究了串并列双圆柱涡致振动问题（圆柱采用弹簧振子模型），三圆柱绕流，并列双方柱绕流，三维并列双圆柱绕流以及分流板对并列双圆柱尾流的影响，主要分析流场结构形态，研究对象的升阻力系数变化曲线，旋涡脱落频率等。. 对于串列双圆柱涡致振动问题，一般下游圆柱的最大横向位移振幅都大于上游圆柱的，阻力均值要小于上游圆柱，随着约化速度的改变，捕捉到了小幅振动、拍振和共振等典型涡致振动现象；对于并列双圆柱涡致振动问题，涡致振动可以改善偏流现象，同时对于无干扰区的规则结构也有破坏作用，能捕捉到共振、拍振和锁定等三种典型涡致振动现象；对于三圆柱绕流，随着d/D的变化可以将流场分为无涡脱落偏流形式、单一涡脱落偏流形式、对称成对涡脱落形式、对称成对涡脱落偏流形式和非对称涡脱落偏流形式五种不同的流场模式，另外，d/D的变化，柱A的位置和Re数对旋涡的脱落也有一定的影响；对于并列双方柱绕流，在中等间隔比下，控制小方柱可以显著的抑制并列双方柱后的旋涡脱落，当并列双方柱的间隔比为T/D = 1.5 时，控制小方柱放置于下游L/D = 1.0 ~ 2.0 的位置可以使间隙偏流得到抑制；对于并列双圆柱的三维绕流，在Re = 100时，并列双圆柱在第三维的流场无旋涡脱落产生，仍为均匀变化的流场，此时的尾流呈二维特性；在Re≈170时出现三维迹象，在Re≈180后，并列双圆柱在第三维出现旋涡脱落；对于同一Re数下并列双圆柱的旋涡脱落来看，两柱尾流在第三维的旋涡脱落基本处于对称状态，上下两圆柱平均阻力系数曲线基本重合，并且随着Re数的变化整体呈现降低的趋势；对于分流板对并列双圆柱流场的影响，研究了平板位置和长度对三种圆柱间距比下的流场的影响。. 将所得的结果与相关文献进行对比，吻合的较好。采用的数值方法有Galerkin 有限元法，有限差分法和有限体积法。课题组按计划完成了课题的研究工作。.