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在海洋、土木、航空航天、能源等眾多領(lǐng)域都存在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)問(wèn)題，傳統(tǒng)鈍體結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)控制措施和多結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)干涉可能引發(fā)大幅值不穩(wěn)定的馳振現(xiàn)象，它們已成為學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的核心問(wèn)題。上海交通大學(xué)王嘉松教授團(tuán)隊(duì)近期創(chuàng)新離散渦元核擴(kuò)散CFD模型和精細(xì)化流場(chǎng)測(cè)試方法，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了流固耦合研究平臺(tái)，分別探索了尾流干涉及附屬結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)作用機(jī)制，相關(guān)成果發(fā)表在流體力學(xué)權(quán)威期刊Physics of Fluids，并均被選為Editor‘s Pick論文。

【論文1】Flow-induced cross-flow vibrations of long flexible cylinder with an upstream wake interference, Phys. Fluids 33, 065104 (2021)

深水超細(xì)長(zhǎng)柔性立管的流激振動(dòng)及干涉響應(yīng)是海洋結(jié)構(gòu)物流固耦合問(wèn)題研究的熱點(diǎn)。受模型試驗(yàn)尺度以及傳統(tǒng)數(shù)值方法求解效率和精度上的局限，學(xué)術(shù)界對(duì)該問(wèn)題一直停留在響應(yīng)觀測(cè)，而缺乏對(duì)其流固耦合過(guò)程和響應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

課題組首先在傳統(tǒng)無(wú)網(wǎng)格離散渦（DVM）方法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地基于渦粘性耗散規(guī)律構(gòu)造了離散渦元核擴(kuò)散新模型，該模型首次將渦元粘性速度耗散與雷諾數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，提高了其在高雷諾數(shù)流場(chǎng)數(shù)值模擬分辨率及精度，進(jìn)而建立了超細(xì)長(zhǎng)柔性多體結(jié)構(gòu)流固耦合數(shù)值計(jì)算的方法并開(kāi)發(fā)了求解器(SDVM-FEM-FSI)。

圖1 改進(jìn)DVM方法對(duì)典型圓柱繞流問(wèn)題模擬精度的提升:(a)壁面平均壓力系數(shù)分布的對(duì)比；(b)傳統(tǒng)方法模擬的尾流渦街；(c)改進(jìn)方法模擬的尾流渦街

針對(duì)深水超細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)構(gòu)的流固耦合干涉響應(yīng)問(wèn)題展開(kāi)了數(shù)值模擬研究，揭示了非定常尾流干涉作用下的超細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)在幅值以及頻響上的兩個(gè)基本特征。聯(lián)合美國(guó)麻省理工學(xué)院海洋工程中心Triantafyllou教授課題組，借助該組智能水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，首次給出了尾流干涉作用下圓柱型結(jié)構(gòu)流固耦合水動(dòng)力特性的量化表征，通過(guò)附加質(zhì)量系數(shù)和能量激勵(lì)力系數(shù)概念，解釋了細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)尾流干涉流激振動(dòng)兩個(gè)基本特征的機(jī)理。通過(guò)數(shù)值與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究思路，首次給出了尾流干涉結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)響應(yīng)與流固耦合水動(dòng)力特性之間的耦合關(guān)系，為建立工程適用的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法提供了思路。

【論文2】The roles of rigid splitter plates in flow-induced vibration of a circular cylinder, Phys. Fluids 34, 114114 (2022)

流激振動(dòng)及其控制是眾多工程領(lǐng)域極為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。通?？梢酝ㄟ^(guò)改變結(jié)構(gòu)幾何形狀或施加附屬結(jié)構(gòu)來(lái)抑制振動(dòng)，或者增強(qiáng)振動(dòng)來(lái)獲取能量。已有的研究表明,在結(jié)構(gòu)中不同位置施加附屬結(jié)構(gòu)能夠顯著改變結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)流動(dòng)特性，進(jìn)而影響流激振動(dòng)及其類(lèi)型轉(zhuǎn)換。但是，不同位置處的附屬結(jié)構(gòu)在流激振動(dòng)中的作用機(jī)制尚不清楚。

課題組構(gòu)建了基于圖像識(shí)別的多物理量同步測(cè)量和壓力重構(gòu)方法，并實(shí)現(xiàn)了流激振動(dòng)自動(dòng)化測(cè)試。通過(guò)對(duì)附屬不同布置分離盤(pán)的彈性支撐圓柱的實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)對(duì)比解釋了上下游分離盤(pán)在圓柱流激振動(dòng)中的作用及機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，尾流中的分離盤(pán)與尾渦的相互作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定，而處于上游來(lái)流中的分離盤(pán)則能夠顯著限制振動(dòng)幅值的增長(zhǎng)。

基于時(shí)間分辨率的粒子圖像測(cè)速（TR-PIV）系統(tǒng)和相位平均方法，揭示了上游小尺度渦旋結(jié)構(gòu)對(duì)尾渦形成過(guò)程及渦脫模式轉(zhuǎn)換的影響機(jī)理。利用瞬時(shí)壓力場(chǎng)重構(gòu)算法，研究了流激振動(dòng)過(guò)程中上下游壓力分布特征，給出了分離盤(pán)對(duì)圓柱流激振動(dòng)影響機(jī)制的直接證據(jù)。

該工作有助于理解上下游附屬結(jié)構(gòu)對(duì)流激振動(dòng)的影響機(jī)理及渦振與馳振的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換機(jī)制，為被動(dòng)式流激振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

論文作者

林柯，船舶海洋與建筑工程學(xué)院 博士后

孫遠(yuǎn)坤，船舶海洋與建筑工程學(xué)院 博士生

王嘉松，船舶海洋與建筑工程學(xué)院 長(zhǎng)聘教授