小间距比下串列双圆柱涡激振动数值模拟研究：尾流和耦合机制

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)

当圆柱受到来流作用，从圆柱上脱落旋涡产生的流体力会激励弹性支撑或柔性圆柱发生振动，振动的圆柱会反过来作用于流体，这种圆柱与流体之间的耦合作用称之为涡激振动。圆柱后的尾流以及圆柱与流体之间的耦合作用成为其重要的研究方向[1-3]。尾流模式反映了圆柱与流体相互作用的结果，而两者之间的耦合作用则成为揭开涡激振动背后机理的关键；圆柱受到的流体力会影响其疲劳寿命[4-5]，也成为利用涡激振动发电的关键要素[6-8]。Williamson等[9]引入了定义圆柱后尾涡模式的方法，即根据一个周期内脱落旋涡的情况定义其模式，并被广泛采用。Williamson等[10]对单圆柱涡激振动的尾流模式进行了详细的归纳，主要包括2S(每个周期脱落两个单独的旋涡)，2P(每个周期从圆柱上脱落两个涡对)，2T(每半个周期内圆柱脱落两个旋转方向相同的旋涡和一个旋转方向相反的旋涡)和2C(圆柱两侧各释放一对旋转方向相同的旋涡，但两侧涡对方向相反)模式四种。此后，圆柱涡激振动的研究中又发现了一些新的尾流模式，比如P+S模式[11]和2Q模式[12]等。当雷诺数较低时，圆柱的响应呈现出初始和下端两个分支[13]，对应的尾流均为2S模式；由于在较远的下游，旋涡发生融合，下端分支的2S模式又称为C(2S)模式[14]。当雷诺数较高时，质量-阻尼系数成为影响圆柱响应的关键因素[15-16]：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；……