小间距比下串列双圆柱涡激振动数值模拟研究：振动响应和流体力

陈威霖， 及春宁， 许 栋

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

圆柱涡激振动是流固耦合的经典问题，近几十年对该现象的研究取得了大量的成果[1-3]。此外，涡激振动也常见于海洋、航空航天以及核能等众多的工程领域，比如输油立管、冷却管等，对该现象研究具有非常重要的实际意义。影响涡激振动的众多因素中，雷诺数和质量比是最受关注的。在低雷诺数(～O(102))时，圆柱的响应呈现出初始和下端两个分支[4-5],其中最大振幅出现在下端分支上；此时，质量比和阻尼不再是影响圆柱响应的主要因素。当雷诺数较高(≥O(103))时，质量-阻尼系数成为衡量圆柱响应的一个重要因素[6-7]：当质量-阻尼系数较低时，响应呈现出三个分支，分别为初始、上端和下端分支，其中最大振幅出现在上端分支上；当质量-阻尼系数较高时，响应则仅为两个分支，分别为初始和下端分支，其中最大振幅出现在初始分支上。

当圆柱的数量不再限定为一个，圆柱与圆柱、圆柱与流体之间的耦合作用变得更加复杂[8-9]。串列布置为众多情形中比较常见的一种，圆柱之间的相对位置决定了下游圆柱始终要受到上游圆柱脱落旋涡的影响，而下游圆柱对上游圆柱的影响则只存在于一定的间距范围内[10]。Prasanth等[11]对低雷诺数Re=100和大间距比L*=L/D=5.5(其中L为两圆柱中心的距离)下串列双圆柱涡激振动进行了数值模拟研究，发现下游圆柱响应要明显大于对应的单圆柱涡激振动，但类似于高雷诺数下单圆柱涡激振动的情况。……