合成射流控制圆柱绕流涡脱落模式及其机理的实验研究

基于钝体绕流卡门涡周期性反对称脱落会引起结构振动、诱发气动噪声这一物理现象，本项目创新性的提出了合成射流控制圆柱绕流的一种新的思路：改变尾迹涡固有的脱落模式。本项目将合成射流对称地布置在圆柱分离点附近，研究了尾迹涡演化发展的动力学过程，揭示合成射流旋涡与圆柱壁面边界层/剪切层/尾迹涡相互作用的物理机制，分析了不同激励参数的影响规律进而获得了合成射流有效控制的优化参数，最终为合成射流控制涡脱落模式这一新思路提供了充实的科学依据。本项目的主要创新性成果包括： 1、揭示了合成射流控制下圆柱绕流典型尾迹涡演化模式的发展规律。固定来流雷诺数为Re=1200，改变合成射流激励参数，实验研究观测到圆柱尾迹涡脱落呈现出几种不同的脱落模式，即2S反对称模式、2P对称模式、2(P S)反对称模式、双稳态模式和2S对称模式，详细分析了尾迹涡演化发展的动力学过程。 2、提出了一种有效的模态分解方法即全场特征频率分解（GED）方法。GED模态分解方法简单快捷有效，以全场功率谱密度为特征频率的选取依据，可以得到特征频率对应的全场振幅谱、相位谱和模态，应用该方法成功地分析了不同脱落模式的频谱特性和差异。 3、揭示了不同尾迹涡脱落模式产生的物理机制。综合应用流动显示和微距镜头拍摄的PIV结果，提出两种关于尾迹涡的分离与融合机制，较为有效地揭示了不同尾迹涡脱落模式的产生机理。 4、分析了不同激励参数对控制效果的影响规律。发现动量系数Cμ、激励频率fe和冲程A三个参数均会对圆柱尾迹涡脱落模式产生影响。合成射流只有在具有足够的动量系数和一定的射流冲程下才能改变圆柱尾迹涡的脱落模式。激励频率决定了向剪切层内输入动量和涡量的周期，影响不同尾迹涡脱落模式产生。 5、通过数值模拟研究了合成射流布置于分离点附近时对圆柱绕流及气动力特性的影响规律。固定来流雷诺数Re=500，发现不同尾迹模式的分布表现为合成射流动量系数和频率的函数，在特定工况下尾迹涡呈现对称模式，此时圆柱升力脉动可以被完全抑制。 6、提出了在圆柱前驻点与分离点附近开通槽控制圆柱绕流的控制方法。通槽出口射流与边界层作用，可以推迟流动分离点到通孔下边界，并进一步影响剪切层发展，圆柱绕流雷诺数Re = 780、1470，通槽宽度w/D = 0.1、0.2时, 可以诱导产生双稳态模式。 2100433B

基于钝体绕流卡门涡周期性反对称脱落会引起结构振动、诱发气动噪声这一物理现象，本项目提出了合成射流控制圆柱绕流的一种新的思路：改变尾迹涡固有的脱落模式。拟利用一对对称放置于圆柱上下两侧的二维合成射流控制圆柱绕流，通过调节来流雷诺数、射流出口方位角、激励振幅以及激励频率等，改变圆柱尾迹涡固有的反对称脱落模式,例如抑制尾迹涡脱落、诱导产生对称脱落模式等。主要通过水槽中的流动显示以及PIV测量速度场对该问题进行研究，借助本征正交分解（POD）、动力学模态分解（DMD）等多种数据处理技术，分析尾迹涡演化发展的动力学过程，揭示合成射流漩涡与圆柱壁面边界层/剪切层/尾迹涡相互作用的物理机制，研究尾迹涡脱落模式变化对流场、分离以及阻力特性的影响，分析不同流动状态下激励参数的影响规律进而获得合成射流有效控制的优化参数，最终为合成射流控制涡脱落模式这一新思路提供充实的科学依据。

在许多工程领域如海洋工程及风工程领域，都存在圆柱泄涡诱发的涡激振动疲劳破坏引起的安全问题，最有效的方法是控制柱尾涡和抑制涡激振动，在圆柱上或周围附加抑制装置的被动控制方法是研究的热点。但传统的控制方法大多不能适应流向变化的影响。本课题提出附加柔性结构探讨流动与涡激振动控制的机理，开展了利用流行的圆柱控制装置以及自主的仿鱼尾和组合式飘带类流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动研究。主要研究内容包括：建立了若干类刚性及柔性模型（螺旋、整流罩、分离盘、仿鱼尾、绒毛、飘布、飘带等）关键性参数，设计并制作了各种传统模型以及柔性结构新模型；一方面利用自我发展的高分辨率数值模拟求解器（TVD-FVM-EVVT及TVD-FVM-VIV）对固定圆柱附加抑制装置的尾涡控制进行数值模拟，对自由振动圆柱附加抑制装置的涡激振动控制进行数值模拟；另一方面，分别设计了大和小质量阻尼系数的风洞实验模型，研究了固定和振动状态下圆柱的尾涡及涡激振动控制机理；设计了典型水槽实验模型，研究了圆柱附加典型装置控制涡激振动的机理。通过深入研究，获得了抑制圆管尾流和涡激振动的基础材料、基本结构与几何参数，获得了最佳抑制装置，如短尾型整流罩、短的柔性分离盘、最佳角度和尾长的仿鱼尾结构、柔性布、绒毛等结构；深刻揭示了圆管尾流和涡激振动控制中的尾涡结构、流体力系数、频率变化、流激振动、驰振等机理; 首次数值复现了近期实验中发现的驰振现象，首次风洞发现了柔性结构的驰振现象。有些结构，特别是长尾结构无论是刚性还是柔性结构都可能引起比传统VIV更不利的驰振现象，相对来说，仿鱼尾结构基本上都能减弱涡激振动且不易产生驰振。本研究为尾涡及涡激振动控制提供了新的技术路线，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障提供了理论指导和技术支撑，特别是发现驰振反而带来更大的安全隐患，也从新的角度为未来相关工程尤其是深水立管或隔水管涡激振动抑制的研究与实际应用提出了新的课题。本研究共发表学术论文22篇，其中SCI高水平论文7篇。 2100433B

在许多工程领域都存在圆柱泄涡诱发的涡激振动疲劳破坏引起的安全问题，最有效的方法是控制柱体尾涡和抑制涡激振动。传统的控制方法大多不能适应流向变化的影响。本课题提出自主的仿鱼尾和组合式飘带两类流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动。主要研究内容包括：建立模型关键性参数，设计并制作各种柔性结构新模型；利用自我发展的高精度数值模拟方法对固定圆柱下尾涡控制进行数值模拟；设计风洞实验模型、实验研究固定和振动状态下圆柱的尾涡及涡激振动控制机理；设计典型水洞实验模型、实验研究振动状态下圆柱尾涡及涡激振动控制机理；深入分析计算和实验中的机理，探索高效的新型结构及其关键性参数的适应范围，为尾涡及涡激振动控制提供新的技术路线，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障提供理论指导和技术支撑，其成果在许多领域具有广阔的应用前景。