水流作用下旋转圆柱-尾板结构的非线性动力特性研究

论文摘要

本文对水流作用下,旋转圆柱-尾流隔板结构的非线性动力特性开展了研究,针对结构受迫旋转振动问题,研究了圆柱-尾流隔板系统的相位动力特性,在此基础上,建立了尾流振子模型对结构的旋转运动进行了预测,并对圆柱-尾流隔板结构发生非线性自由旋转时的振动特性开展了分析。对于水流中圆柱-尾流隔板结构发生受迫旋转振动的问题,本文在不同振动频率及幅值条件下,对圆柱-尾流隔板系统的相位动力特性（Phase Dynamics）、尾涡模式等进行了研究。通过分析流体作用力与结构旋转运动之间的相位差,对相位同步区间和非同步区间的边界（Arnold Tongue）进行了界定。数值结果表明,针对圆柱-尾板受迫旋转振动问题,在Arnold Tongue所划分的不同区域,存在三种相位动力特性:相位锁定（Phase Locking）,相位捕捉（Phase Trapping）和相位滑移（Phase Slipping）。本文首次给出了水流中圆柱-尾流隔板系统发生受迫旋转振动时存在“相位捕捉（Phase Trapping）”的证据。在不同相位动力特性情况下,对其尾涡模式开展了分析,阐释了相位动力特性与流场特性之间的内在联系。在此基础上,为水流中圆柱-隔板振动问题,建立了Van der Pol尾流振子低维动力学模型。即以结构发生旋转受迫振动时的Arnold Tongue为参照,确定了Van der Pol方程内的待定系数,并对流体作用力与结构旋转运动的相位同步区间边界重新进行了界定,实现了对受迫振动问题Arnold Tongue的模拟。通过耦合求解Van der Pol方程和结构运动方程,对圆柱-尾流隔板系统发生自由旋转振动时受到的流体作用力和结构动力响应进行了预测。针对圆柱-尾流隔板系统的非线性自由旋转运动问题,本文采用了具有几何非线性刚度项的杜芬方程来描述结构运动,考察了约化速度和非线性刚度系数ε对于系统振动特性的影响作用。数值结果表明,非线性刚度的存在等效于增加了有效恢复力,在非线性系统下,系统的动力分叉特性同样存在,但对于一个特定的约化速度,非线性刚度系数ε的增加会抑制分叉现象发生。当系统的旋转运动发生动力分叉时,近尾涡区的压力流线图会出现对称破坏,此时奇数倍和偶数倍的升力频率同时存在。当系统的旋转运动不发生动力分叉时,近尾涡区的压力流线图呈现对称形式,只存在奇数倍的升力频率fL。通过动力响应模态分解方法（DMD）对每种升力频率所对应的流场模态进行分析,进一步说明了分叉现象的出现主要是由近场涡流区的对称破缺（Symmetry-breaking）引起的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 固定式尾流隔板的水动力特性研究
•     1.2.2 旋转式尾流隔板自由振动响应特性研究
•     1.2.3 旋转式尾流隔板受迫振动流场特性研究
•   1.3 本文工作
• 2 数值模型
•   2.1 流动控制方程
•   2.2 流动控制方程的数值离散
•     2.2.1 时间离散
•     2.2.2 空间离散
•   2.3 结构运动方程
•     2.3.1 受迫振动
•     2.3.2 自由振动
•   2.4 结构运动方程的数值求解
•   2.5 网格更新
• 3 受迫振动的相位动力特性研究
•   3.1 计算模型及定解条件
•   3.2 数值计算结果及分析
•     3.2.1 相位同步区间边界的界定
•     3.2.2 相位动力特性分析
•     3.2.3 流场特性分析
•     3.2.4 尾涡脱落模式分析
•   3.3 本章小结
• 4 尾流振子模型的建立
•   4.1 Van der Pol尾流振子模型
•   4.2 基于受迫振动的尾流振子模型
•   4.3 尾流振子模型预测结构自由振动
•   4.4 本章小结
• 5 非线性自由振动特性研究
•   5.1 计算模型及定解条件
•   5.2 数值计算结果及分析
•     5.2.1 旋转振动响应特性
•     5.2.2 流场特性分析
•     5.2.3 升力频谱及流场模态分析
•     5.2.4 约化速度趋于无穷时的数值分析
•   5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 庞丹

导师: 吕林,程亮

关键词: 圆柱尾流隔板系统,方程,有限元,任意拉格朗日欧拉方法,非线性动力特性

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,工业通用技术及设备

单位: 大连理工大学

分类号: TB5;P75

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000759

总页数: 89

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