利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2021104919246
申请人: 重庆科技学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-07
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种串列双圆柱尾流驰振非定常气动力数学模型建立方法,其特征在于,具体步骤为:S1:采用计算流体动力学软件,模拟圆柱流向间距L/D=4的情况下,上游圆柱固定、下游圆柱横向振动的串列双圆柱的尾流驰振,得到串列双圆柱的尾流驰振几何模型并对该几何模型进行网格划分;

其中,L为两圆柱在流向的垂直距离,D为圆柱直径;

S2:根据串列双圆柱的尾流驰振几何模型,设立至少一种工况,分析串列双圆柱的尾流驰振气动力的频谱规律;

S3:根据步骤S1中的上游圆柱固定、下游圆柱横向振动的串列双圆柱的尾流驰振,建立含有未知参数的串列双圆柱的尾流驰振气动力数学模型;其中气动力表示为自激力和涡激力两种形式;

S4:采用基于能量等效的最小二乘参数识别方法,拟合出自激力中气动阻尼力参数和涡激力参数,得到最终的串列双圆柱的尾流驰振气动力数学模型;

S5:根据步骤S4得到的串列双圆柱的尾流驰振气动力数学模型,采用Runge‑Kutta法反算位移和速度并重构计算气动阻尼力和涡激力的累积功,将该气动阻尼力和涡激力的累积功与所述串列双圆柱的尾流驰振气动力数学模型进行对比;

在步骤S3中,

含有未知参数的串列双圆柱的尾流驰振气动力数学模型为:未知参数包括:未知自激力参数和未知涡激力参数;

Fy为结构的总气动力; 为自激力的表达式,Fv(fv)为涡激力的表达式;

其中,

ρ为流体密度,U为来流的速度,D为圆柱直径,y为垂直于流向的位移, 为垂直于流向的速度;α01为一阶无量纲气动阻尼参数,α03为三阶无量纲气动阻尼参数,α05为五阶无量纲气动阻尼参数,均为未知参数;

式中:

δ11,δ12,δ21,δ22为无量纲后的涡激力参数;

St1为上游圆柱斯托哈尔数;St2为下游圆柱斯托哈尔数;ρ为流体密度;Ur为折算风速,fs为固有频率;v11 v12 v21 v22分别表示无量纲前的涡激力参数;

即:

2.根据权利要求1所述的串列双圆柱尾流驰振非定常气动力数学模型建立方法,其特征在于:在步骤S1中,所述串列双圆柱的尾流驰振中,下游圆柱横向振动采用尾流圆柱横向振动方程求解,该下游圆柱横向振动方程为:其中,m为下游圆柱质量;y、 和 分别为垂直于流向的位移、速度和加速度;c和k分别为结构阻尼和刚度常数;Fy为圆柱受到的垂直方向的力。

3.根据权利要求1所述的串列双圆柱尾流驰振非定常气动力数学模型建立方法,其特征在于:步骤S1中,所述串列双圆柱的尾流驰振几何模型中,采用的矩形计算域为60D×

40D,D为圆柱直径;

矩形计算域中,上游圆柱中心距离入口边界为25D,下游圆柱中心距离出口边界为31D;

矩形计算域中,入口边界设为速度入口边界条件;

矩形计算域中,流域出口边界设为压力出口边界条件;

矩形计算域中,上下边界定义为对称边界条件;

矩形计算域中,上游圆柱和下游圆柱均采用圆柱且圆柱表面采用无滑移壁面。

4.根据权利要求1所述的串列双圆柱尾流驰振非定常气动力数学模型建立方法,其特征在于:步骤S1中,所述对几何模型进行网格划分时采用非均匀四边形结构化网格,上、下游圆柱表面的表面网格采用O型网格;

所述对几何模型进行网格划分时加密圆柱近壁面的网格以及控制壁面第一层网格高+度,使上、下游圆柱壁面第一层网格高度y<1;

矩形计算域中,入口下游27D和34D处的交界面采用了滑移网格技术,在横向边界处使用动态层铺法更新网格。

5.根据权利要求1所述的串列双圆柱尾流驰振非定常气动力数学模型建立方法,其特征在于:在步骤S2中,分析得到的串列双圆柱的尾流驰振气动力的频谱规律为:基于所有的风速的气动升力频谱成分主要包括7个主要频率;

其中,1‑5阶自振频率,随着折算风速的增大,自振频率保持不变,将1‑5阶自振频率对应的气动力定义为自激力;

6‑7阶频率随着折算风速呈线性增加,将6‑7阶频率对应的气动力定义为涡激力。

6.根据权利要求1所述的串列双圆柱尾流驰振非定常气动力数学模型建立方法,其特征在于:步骤S5的具体内容为:S51:根据得到的串列双圆柱的尾流驰振气动力数学模型,采用Runge‑Kutta法反算位移和速度;

S52:定义下游圆柱能量的参数名称:

ωn为下游圆柱的自然圆频率;

ξn为下游圆柱自身结构阻尼比;

Ws(t)为下游圆柱自身结构阻尼在当前时间的累积功,消耗能量为负值;

Wa,v(t)为利用拟合的参数反算的下游圆柱的气动阻尼力和涡激力在当前时间的累积功,提供能量为正值,Ee(t)为下游圆柱在当前时间的机械能,其中包括动能与势能;

S53:将步骤S51得到的位移、速度带入公式(1)‑(3)中,重构得到气动阻尼力和涡激力的累积功;

S54:将气动阻尼力和涡激力的累积功与所述串列双圆柱的尾流驰振几何模型的模拟值进行对比。