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圆柱绕流及涡激振动的二维数值模拟

作　者: 丁代伟
导　师: 毕继红
学　校: 天津大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 圆柱绕流 涡激振动 升力系数 阻力系数 斯托罗哈数
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 357次
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内容摘要


圆柱绕流假设圆柱是固定的,属于空气动力学的范畴,而圆柱涡激振动考虑圆柱的振动,属于气动弹性力学范畴。本文将采用数值模拟的方法对这两种现象的特点进行分析,为工程研究和实践提供参考意义。针对圆柱绕流现象,起决定作用的是雷诺数,但还受到许多因素的影响,如阻尼比,来流湍流度,下游边界条件等。本文首先建立单圆柱和串列双圆柱绕流的二维流场模型,采用CFX流体软件计算Re=200时的单圆柱绕流,并将结果与文献已有结果对比,证明该计算方法的可靠性。其次数值计算不同雷诺数条件下的单圆柱绕流,得出升力系数、阻力系数以及斯托罗哈数的变化规律,通过流线图和速度云图分析流场的变化。然后研究不同间距条件下串列双圆柱的绕流,对升力系数、阻力系数进行分析,从而得出双圆柱绕流的临界间距,利用流线图和速度云图分析不同间距时的流场变化。涡激振动现象在土木结构当中经常发生,特别是在大跨度桥梁当中,涡激振动极易引起主梁和拉索的振动。本文针对圆柱涡激振动现象,采用Ansys软件和CFX软件数值模拟流固耦合问题,将二维圆柱体简化为质量弹簧阻尼系统,并对单自由度的质量弹簧系统进行模态分析验证数值模型的准确性。保持圆柱结构参数不变,通过改变风速捕捉锁定区间,分析圆柱及流场在锁定区间和非锁定区间内的不同响应。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-16
  1.1 涡激振动问题的工程背景  7-9
  1.2 圆柱静止绕流问题的研究现状  9-12
    1.2.1 单圆柱静止绕流问题的研究现状  9-11
    1.2.2 串列双圆柱静止绕流问题的研究现状  11-12
  1.3 涡激振动问题的研究现状  12-14
  1.4 本文主要研究工作  14-16
第二章 单双柱静止绕流的二维数值模拟方法及数值模型验证  16-27
  2.1 计算流体力学概述  16-19
    2.1.1 流体力学研究方法  16-17
    2.1.2 CFD 数值解法  17-18
    2.1.3 CFD 工作步骤  18-19
  2.2 CFX 软件基本理论  19-20
    2.2.1 CFX 软件简介  19-20
    2.2.2 CFX 离散方程  20
  2.3 圆柱绕流控制方程及其参数  20-22
    2.3.1 圆柱绕流控制方程  20-21
    2.3.2 圆柱绕流控制参数  21-22
  2.4 圆柱绕流流场数值模型及验证  22-26
    2.4.1 流场网格选取  22
    2.4.2 圆柱绕流数值模型  22-24
    2.4.3 圆柱静止绕流数值模拟验算  24-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章 单双柱静止绕流的二维数值模拟结果及分析  27-44
  3.1 单圆柱静止绕流计算结果及分析  27-34
    3.1.1 流场随时间的变化规律  27-28
    3.1.2 不同雷诺数条件下的升力系数和阻力系数分析  28-30
    3.1.3 不同雷诺数条件下的斯托罗哈数分析  30-31
    3.1.4 流场随着雷诺数的变化规律  31-34
  3.2 串列双圆柱静止绕流计算结果及分析  34-43
    3.2.1 上下游圆柱的升力系数和阻力系数分析  34-37
    3.2.2 上下游圆柱的斯托罗哈数分析  37-39
    3.2.3 流场随着间距的变化规律  39-43
  3.3 本章小结  43-44
第四章 圆柱涡激振动现象的二维数值模拟  44-60
  4.1 流固耦合理论  44-45
    4.1.1 流固耦合力学概述  44-45
    4.1.2 流固耦合力学控制方程的解法  45
  4.2 圆柱涡激振动理论  45-47
    4.2.1 涡激振动的“锁定”与“拍”现象  45-46
    4.2.2 涡激振动的控制方程和参数  46-47
  4.3 ANSYS 软件和CFX 软件相结合的流固耦合模拟方法  47-50
    4.3.1 Ansys 软件和CFX 软件相结合求解步骤  48-49
    4.3.2 CFX 多层动网格技术简介  49-50
  4.4 圆柱体涡激振动数值模型及验证  50-53
    4.4.1 圆柱体的二维涡激振动数值模型  50-51
    4.4.2 圆柱体的二维数值模型验证  51-53
  4.5 二维圆柱体的涡激振动计算结果及分析  53-59
    4.5.1 二维圆柱体涡激振动的锁定现象分析  53-58
    4.5.2 二维单圆柱的静止绕流和涡激振动的旋涡脱落比较  58-59
  4.6 本章小结  59-60
第五章 结论与展望  60-62
  5.1 本文工作的总结  60-61
  5.2 未来工作的展望  61-62
参考文献  62-65
发表论文和科研情况说明  65-66
致谢  66

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 结构原理、结构力学 > 桥梁振动及减振设备
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