串列高阻尼双圆柱流激振动相互影响机制数值模拟研究

论文摘要

全球经济正处于快速发展之中,为满足经济发展的需求,世界各国不断寻找可替代传统化石能源的可再生清洁能源。美国密西根大学Bernitsas教授于2006年提出了基于流激振动水动能转换装置,该装置可以在较低的流速下使圆柱产生较大幅度的振动,并带动发电机运转发电,因而能够应用于更为广泛的水域。在实际的流激振动发电场中,为了达到一定的规模,需要在水下布置多根柱体装置,形成装置阵列。本文以柱体阵列中最简单的配置方式,即双圆柱情形为研究对象,通过数值模拟研究不同排列间距下串列双圆柱流激振动过程中柱体之间的相互影响方式,寻求合理的柱体排列间距,使圆柱阵列在较低流速能够获得更大的振动能量,提高柱体阵列的能量密度。考虑到问题的复杂性以及为了更好地将各种复杂影响因素分离,先将上游或下游柱体固定,研究上游或下游固定柱体的存在对下游或上游柱体流激振动的影响,然后再使上下游柱体都能进行自由振动,研究两根柱体流激振动的相互影响。因此,本文对串列双圆柱的以下三种配置方式进行了数值模拟:1)上游圆柱固定,下游圆柱自由振动;2)下游圆柱固定,上游圆柱自由振动;3)上下游圆柱都能自由振动。本文基于连续方程和雷诺平均N-S方程,结合SST k-ω湍流模型对柱体周围流场进行模拟,基于有限体积法结合ALE动网格跟随技术对计算域进行网格划分,同时为了防止在计算过程中圆柱产生较大运动时,导致其双圆柱之间的流场网格产生过大的挤压变形,进而导致计算无法进行,采用了区域分块技术将整个计算域划分为不同的区块,分别进行网格划分。为了更好的模拟能量转换过程中柱体的振动特性,本文计算采用了高阻尼比、高雷诺数。计算结果表明,上游或下游柱体的存在对圆柱流激振动具有较大的影响,振幅曲线的不同主要与间距比和双圆柱的配置方式有关。当上游存在固定圆柱时,下游圆柱的振幅曲线有涡激振动、驰振、分离的涡激振动-驰振振幅曲线三种。而其他两种配置（下游圆柱固定,上游圆柱自由振动;上下游圆柱都能自由振动）条件下的圆柱振幅曲线只呈现出涡激振动曲线。在串列双圆柱的三种配置中,振幅相对于单根圆柱情况得到了提升,圆柱的最大振幅达到了2.3D。当圆柱之间的间距较小时（间距S=1.5D和2.0D）,上游圆柱涡旋脱落后的涡能耗散较低,进而对下游圆柱的影响较大,圆柱之间相互作用增强,上、下游圆柱的振幅得到较大的提升。当间距逐渐增大到3.0D和4.0D时,上游圆柱的尾流模式随约化速度的增加而变得非常不稳定。在上游圆柱固定情况下,约化速度为9.0附近时,上游圆柱的剪切层直接附着在下游圆柱上,没有涡旋脱落,此时下游圆柱处于高频率超低振幅的振动响应状态。在上下游圆柱都振动的情况下,约化速度U>13.5时,上游圆柱振动导致串列双圆柱之间的尾流处于不稳定状态,使得下游圆柱的位移时程曲线不规律。随着圆柱之间的间距继续增大到20.0D时,脱落涡旋中的涡能逐渐减小,此时,双圆柱流激振动响应减弱,圆柱升力和振幅减小,上、下游圆柱的振动曲线变为涡激振动曲线,但上游圆柱的尾流仍对下游圆柱产生影响,导致下游圆柱的振幅大于单圆柱情况下的圆柱振幅。在获能方面,当间距比较小时,上下游圆柱的最大振幅远大于孤立单圆柱的振幅,获取的功率也较大。在间距为2.0D时,对应双圆柱系统单位面积获取最大能量为2.09w/m2。间距增加到4.0D时,对应双圆柱系统单位面积获取最大能量为1.22 w/m2。不同间距下双圆柱系统获取的能量密度:2.0D4.0D。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 流激振动能量转换

1.2.2 单圆柱流激振动

1.2.3 双圆柱流激振动

1.3 本文主要研究内容

第二章基本理论与参数设计

2.1 基本理论

2.1.1 边界层分离与涡旋脱落

2.1.2 尾流干涉

2.1.3 流激振动无量纲参数

2.2 参数设计

第三章数值模型建立与验证

3.1 基本控制方程

3.1.1 流体动力学方程

3.1.2 湍流模型

3.1.3 柱体振动方程

3.1.4 流固耦合模型

3.2 数值计算方法

3.2.1 有限体积离散

3.2.2 离散格式

3.2.3 流固耦合求解

3.3 计算域及网格划分

3.3.1 计算域和边界条件

3.3.2 网格划分

3.4 能量转换功率和获能密度

3.5 数值模型验证

第四章上游固定圆柱对下游圆柱流激振动的影响

4.1 下游圆柱振动位移时程

4.2 上游柱体对下游圆柱振动特性的影响

4.3 上游柱体对下游圆柱的尾流干涉效应

4.4 上游柱体对下游圆柱升力的影响

4.5 本章小结

第五章下游固定圆柱对上游圆柱流激振动的影响

5.1 上游圆柱振动位移时程

5.2 下游柱体对上游圆柱振动特性的影响

5.3 下游柱体对上游圆柱尾涡形态的影响

5.4 下游柱体对上游圆柱升力的影响

5.5 本章小结

第六章双圆柱流激振动相互影响

6.1 双圆柱位移响应特性

6.2 双圆柱振幅与频率

6.3 双圆柱周围流场变化特性

6.4 流体升力

6.5 双圆柱阵列获能分析

6.5.1 能量获取功率

6.5.2 能量转换密度

6.6 本章小结

第七章结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录A （攻读学位期间发表论文目录）

附录B （攻读学位期间从事科研项目目录）

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗旋

导师: 李小超

关键词: 流激振动,串列双圆柱,旋涡脱落,能量转换

来源: 长沙理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程,电力工业

单位: 长沙理工大学

分类号: TV136;TM612

DOI: 10.26985/d.cnki.gcsjc.2019.000343

总页数: 86

文件大小: 7458K

下载量: 7

串列高阻尼双圆柱流激振动相互影响机制数值模拟研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢