单/双自由度旋转圆柱流致振动特性数值计算分析

为探讨不同自由度下旋转圆柱流致振动特性,本文对单/双自由度二维旋转圆柱在不同转速比下的流致振动进行了数值模拟研究,分析并对比了不同自由度下漩涡脱落模式及分布区间、流体力、振幅响应.研究时观察到六种脱涡模式,单自由度四种(2S,P+S,2P,U),双自由度五种(2S,P+S,P+T,2T,U),单自由度下U模式区间更大,双自由度下在较高转速比及约化速度下易呈现多涡模式(P+T、2T).研究结果显示:对于1-DOF圆柱,振幅峰值随转速比增加而增大,锁定区间随旋转比增加而加宽,且在(α=3,Vr=11)时发生跳跃,此时脱涡模式由2S变为2P;对于2-DOF圆柱,无旋转下顺流向自由度促进横流向振动,横流向振幅峰值较1-DOF更大;在转速较小(α=1)时,横流向振幅峰值较无旋转更小,锁定区间缩短,表明低速旋转下顺流向自由度抑制横流向振动;对于较高转速比(α=2,3),圆柱振幅响应发生多次跳跃,每次跳跃峰值递增,并伴随脱涡模式改变(脱涡数增多,脱涡大小、涡量及尾流结构的对称性降低);双自由度下圆柱运动轨迹从8字形逐渐变为窄椭圆形,最终变为大回环扁椭圆形运动.解放顺流向自由度促进了横流向振动,引起了尾流结构的复杂化和圆柱振幅响应的多次跳跃.