基于格子Boltzmann方法的圓柱渦激振動(dòng)及傳熱特性研究.pdf

1、柱體繞流問題是實(shí)際工程中普遍存在的現(xiàn)象，廣泛存在于船舶、航空航天和水利機(jī)械等領(lǐng)域。當(dāng)柱體結(jié)構(gòu)與所處流場（水或空氣）之間具有一定的相對速度時(shí)，結(jié)構(gòu)與流體之間存在強(qiáng)烈的耦合作用，在結(jié)構(gòu)表面形成逆壓梯度區(qū)，誘導(dǎo)流體作用力。結(jié)構(gòu)背流面產(chǎn)生旋渦，且隨著近物面流體邊界層的周期性分離呈規(guī)律性脫落，形成周期性波動(dòng)的流體作用力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沿橫向和縱向的振動(dòng)（即渦激振動(dòng)），甚至誘發(fā)共振或結(jié)構(gòu)疲勞損壞。
　　實(shí)際上，相對于單個(gè)立柱的繞流問題，在實(shí)際應(yīng)用中

2、往往是多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的立柱共存，它們之間存在相互影響，使整個(gè)流固耦合過程更加復(fù)雜。若再考慮立柱與立柱、流場間的熱交換問題（如反應(yīng)堆、管束中的熱交換），研究的內(nèi)容會(huì)更接近實(shí)際物理問題，但困難也更加艱巨。該過程是一個(gè)涉及到運(yùn)動(dòng)邊界、多界面、多物理場的瞬態(tài)流固耦合過程，盡管截止目前，針對其中某單一問題已有了較多的研究，但將該過程視為一個(gè)全耦合過程，進(jìn)行系統(tǒng)的流固耦合研究并不多見。
　　針對上述問題，本文利用基于微觀統(tǒng)計(jì)力學(xué)的格子Boltz

3、mann方法（LBM）對圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度渦激振動(dòng)、柱與柱間的相互作用以及它們的傳熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文進(jìn)行了以下研究：
　　針對渦激振動(dòng)模型，采用了計(jì)及附加質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)邊界的格子Boltzmann處理方法。在計(jì)算過程中考慮移動(dòng)邊界的相對速度，結(jié)合非平衡外推及空間插值方法，確保了邊界處理準(zhǔn)確地滿足伽利略不變性定律。同時(shí)，為提高所開發(fā)程序的計(jì)算效率，發(fā)揮格子Boltzmann的并行優(yōu)勢，引入了OpenMP多核并行計(jì)算技術(shù)。

4、　　依據(jù)流體力學(xué)相似理論，確定了本文研究的主要無量綱參數(shù)，包括流體相關(guān)參數(shù)、結(jié)構(gòu)物相關(guān)參數(shù)以及耦合運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)，建立了相應(yīng)的分析模型，詳細(xì)地討論了結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼以及響應(yīng)頻率對流場中單圓柱振動(dòng)特性的影響，并對流場中產(chǎn)生的附加質(zhì)量進(jìn)行了分析。
　　在此基礎(chǔ)上，分別建立了靜-靜、靜-動(dòng)和動(dòng)-動(dòng)雙柱耦合模型，系統(tǒng)地探討了雙柱間初始相對位置對耦合過程中流場結(jié)構(gòu)、立柱運(yùn)動(dòng)特性和載荷特性的影響，并對不同模型中振動(dòng)圓柱的功率效率進(jìn)行了分析。