阵列排布柱体群绕流与涡激振动互扰机理研究

Taking ocean engineering and civil engineering as the backgrounds, numerical investigations are proposed and carried out on basic science issues of flow over cylinders in array arrangement and vortex-induced vibration by using innovative stabilized finite element method. Meanwhile, the characteristics of flow and vortex-induced dynamic responses and the vortex-induced/wake-induced vibration of cylinders and the interference effect pattern of them are considered. Firstly, the 3D nonlinear coupling dynamic mechanical model under the Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) description would be established. Then, a numerical simulation platform for fluid-structure interaction would be constructed to apply to large displacement motion based on the high performance fluid finite element numerical solution and the hybrid mesh updating method, compared with existing data to examine the accuracy and reliability of the computational algorithm. Finally, the effects of some key parameters, e.g. the flow characteristics, shape and arrangement of cylinders on the flow and vortex-induced vibration characteristics of cylinders with array arrangement are revealed through the numerical study, while the evolution rule of 3D vortex structure and the fluid-structure energy transfer could be deeply recognized to clarify the interference effect and vortex dynamic mechanism of the system. The research during the project will strengthen the awareness of the flow pattern over array-arranged cylinders and vortex-induced vibration variation law, and supply new scientific theory and technique for practical engineering.

以海洋工程与土木工程等领域相关问题为背景，发展新型流体有限元计算方法，围绕阵列排布柱体群绕流和涡激振动的基础科学问题开展研究，分析不同工况下多柱体群的流场特性、涡致动力响应特性与涡激/尾激振动互扰效应模式。本项目首先建立任意拉格朗日-欧拉体系下三维非线性耦合动力学模型。其次，基于高性能流体有限元与动网格更新混合方法，构建一套适用于高密度网格大位移运动下的流固耦合数值模拟平台，并通过与已有数据的对比验证其正确性与可靠性。最后，通过数值模拟研究，探索来流特性、结构截面形状与排布方式等关键参数对柱体群绕流和涡激振动响应规律的影响，深入认识三维旋涡结构演化规律、流体-结构之间的能量转换特征，揭示其互扰效应机制与涡动力学机理。本项目的研究可加深对阵列排布下柱体结构群的绕流模式及涡激振动变化规律的认识，可为实际工程分析提供科学的理论支撑与技术。

阵列布置多柱体结构群的绕流以及流致振动问题在实际工程当中较为普遍，如桥梁的斜拉索和桥塔、海洋平台、海底管道等等，本项目的研究可加深对不同的影响因素下阵列排布柱体结构群的绕流模式及流致振动变化规律的认识，可为实际工程分析及设计提供科学的理论支撑与技术。主要探索来流特性、结构截面形状、排布方式以及相关系统参数等对多柱体结构群绕流和流致振动响应的影响，深入认识旋涡结构及尾流模态的演化规律、流场-结构之间耦合作用以及能量转换特征，并揭示其互扰效应机制与涡动力机理。研究结果表明：.1. 随雷诺数的增加，上游静止-下游双自由度振动系统的互扰效应会由涡激振动转变为尾激振动，结构的振动响应更为剧烈且对应的范围扩大。串列布置双柱体结构的截面类型及尺寸比的变化对下游结构尾激振动的动力响应及尾流模态有较大的影响。不同工况下，结构发生共振所对应的频率值以及共振的范围发生改变，结构的运动轨迹出现“8”字形、“双8”字形、双弯刀形以及不规则形状等，尾流模态呈现出2S、P+S、2P、2T以及非对称涡街等多种不同的模式。.2. 来流形式的变化会引起串列布置三柱体结构上下两侧流体速度以及涡量分布的差异，从而改变结构周围旋涡以及压力区的强度及分布情况，对其动力响应特性及尾流模态等产生较大的影响。随着剪切率的增加，三圆柱体的振幅以及共振响应的范围明显扩大，结构的运动轨迹会由“8”字、“双8”字形转变为“雨滴”、“双雨滴”形、“三环”形等。柱体与流场之间强烈的耦合作用使得三圆柱体结构的尾流模态更加复杂。.3. 对于多柱体结构群绕流问题，不同间距比和来流攻角工况下，结构表面流体力系数、压力分布以及流场特性的差异较大，柱体群之间的互扰机理会出现临近效应、剪切层干扰、尾流冲击以及偏斜尾流冲击等四种不同的模式。同时，柱体数量及其排布方式的改变会显著影响间隙流与尾流区域旋涡的发展及分布，从而改变整个柱体结构群之间的绕流特性。