船建智慧 | 上海交通大学工程力学系王嘉松教授团队在《Physics of Fluids》连续发表2篇Editor’s Pick论文
在海洋、土木、航空航天、能源等众多领域都存在细长结构的流激振动问题,传统钝体结构的流激振动控制措施和多结构的流激振动干涉可能引发大幅值不稳定的驰振现象,它们已成为学术界和工程界关注的核心问题。上海交通大学王嘉松教授团队近期创新离散涡元核扩散CFD模型和精细化流场测试方法,以此为基础构建了流固耦合研究平台,分别探索了尾流干涉及附属结构流激振动作用机制,相关成果发表在流体力学权威期刊Physics of Fluids,并均被选为Editor‘s Pick论文。
【论文1】Flow-induced cross-flow vibrations of long flexible cylinder with an upstream wake interference, Phys. Fluids 33, 065104 (2021)
深水超细长柔性立管的流激振动及干涉响应是海洋结构物流固耦合问题研究的热点。受模型试验尺度以及传统数值方法求解效率和精度上的局限,学术界对该问题一直停留在响应观测,而缺乏对其流固耦合过程和响应机理的认识。
课题组首先在传统无网格离散涡(DVM)方法的基础上,创新性地基于涡粘性耗散规律构造了离散涡元核扩散新模型,该模型首次将涡元粘性速度耗散与雷诺数关联起来,提高了其在高雷诺数流场数值模拟分辨率及精度,进而建立了超细长柔性多体结构流固耦合数值计算的方法并开发了求解器(SDVM-FEM-FSI)。
图1 改进DVM方法对典型圆柱绕流问题模拟精度的提升:(a)壁面平均压力系数分布的对比;(b)传统方法模拟的尾流涡街;(c)改进方法模拟的尾流涡街
针对深水超细长柔性结构的流固耦合干涉响应问题展开了数值模拟研究,揭示了非定常尾流干涉作用下的超细长柔性结构流激振动在幅值以及频响上的两个基本特征。联合美国麻省理工学院海洋工程中心Triantafyllou教授课题组,借助该组智能水动力学实验室,首次给出了尾流干涉作用下圆柱型结构流固耦合水动力特性的量化表征,通过附加质量系数和能量激励力系数概念,解释了细长结构尾流干涉流激振动两个基本特征的机理。通过数值与实验相结合的研究思路,首次给出了尾流干涉结构流激振动响应与流固耦合水动力特性之间的耦合关系,为建立工程适用的经验预报方法提供了思路。
【论文2】The roles of rigid splitter plates in flow-induced vibration of a circular cylinder, Phys. Fluids 34, 114114 (2022)
流激振动及其控制是众多工程领域极为关注的热点问题。通常可以通过改变结构几何形状或施加附属结构来抑制振动,或者增强振动来获取能量。已有的研究表明,在结构中不同位置施加附属结构能够显著改变结构的近场流动特性,进而影响流激振动及其类型转换。但是,不同位置处的附属结构在流激振动中的作用机制尚不清楚。
课题组构建了基于图像识别的多物理量同步测量和压力重构方法,并实现了流激振动自动化测试。通过对附属不同布置分离盘的弹性支撑圆柱的实验研究,系统对比解释了上下游分离盘在圆柱流激振动中的作用及机制。研究发现,尾流中的分离盘与尾涡的相互作用导致结构动力系统趋于不稳定,而处于上游来流中的分离盘则能够显著限制振动幅值的增长。
基于时间分辨率的粒子图像测速(TR-PIV)系统和相位平均方法,揭示了上游小尺度涡旋结构对尾涡形成过程及涡脱模式转换的影响机理。利用瞬时压力场重构算法,研究了流激振动过程中上下游压力分布特征,给出了分离盘对圆柱流激振动影响机制的直接证据。
该工作有助于理解上下游附属结构对流激振动的影响机理及涡振与驰振的产生与转换机制,为被动式流激振动控制结构的设计提供理论依据。
论文作者
林柯,船舶海洋与建筑工程学院 博士后
孙远坤,船舶海洋与建筑工程学院 博士生
王嘉松,船舶海洋与建筑工程学院 长聘教授
(本文转载自上海交通大学 ,如有侵权请电话联系13810995524)
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