多孔介质降低圆柱体涡激振动的数值模拟分析

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.06.007

摘要/Abstract

摘要：

涡激振动是导致结构破坏的主要原因之一，该现象不仅会缩短工件的使用寿命，还可能使原本稳定的结构变形失效，进而引发安全隐患或造成经济损失。基于CFD软件，采用k-ω湍流模型、SIMPLE压力速度耦合方法对多孔介质圆柱体涡激振动进行了数值模拟。对单多孔介质圆柱体、三多孔介质圆柱体和矩阵排列圆柱体中横向排列的多种场景下的涡激振动问题分别开展了模拟研究，对比分析了不同排列方式下多孔介质对圆柱体涡激振动的影响。结果表明，在各种排列方式下，添加多孔介质可使圆柱体受力均匀、流场更稳定，显著抑制涡激振动现象的发生；同时，还可延长工件的使用寿命，进一步提高经济效益，具有良好的使用价值和应用前景。

关键词: 涡激振动, 多孔介质, 圆柱绕流, 涡旋脱落, 数值模拟

Abstract:

Vortex-induced vibration represents a critical mechanism of structural damage,which not only reduced service life of workpieces but can also lead to structural deformation and failure,thereby posing safety risks or causing economic losses. This study conducts a numerical simulation of vortex-induced vibrations in porous media cylinders using CFD software, employing the k-ω turbulence model and SIMPLE pressure-velocity coupling method.Simulations were carried out on single porous media cylinders, three porous media cylinders,and transversely arranged cylinders in matrix configurations to study vortex-induced vibration problems under various scenarios.By comparative analysis,the study examined the impact of porous media on cylinder vortex-induced vibrations in different arrangement scenarios.The results indicate that in all arrangement scenarios, the addition of porous media can result in uniform force distribution on the cylinders and a more stable flow field,effectively eliminating the occurrence of vortex-induced vibrations.This extends the service life of the workpieces,enhances efficiency,and demonstrates significant practical value and application prospects.

Key words: Vortex?induced vibration, Porous media, Flow around a cylinder, Vortex shedding, Numerical simulation

中图分类号:

TE953

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图/表 15

图1 三维涡激振动几何模型图

Fig.1 Three?dimensional vortex?induced vibration geometric model diagram

图2 多孔介质流域网格划分图

Fig.2 Grid division diagram of porous media watershed。

图3 网格无关性验证结果

Fig.3 Results of mesh independence verification

表1 模拟结果与文献结果的对比

Table 1 Comparison between simulation results and literature results

序号	文献	阻力系数平均值	升力系数幅值	斯特劳哈尔数
1	[15]	1.310	0.650	0.190
2	[16]	1.240	0.620	0.210
3	[17]	1.371	0.740	0.200
4	[18]	1.350	0.500	0.180
5	本文	1.465	0.770	0.200

图4 单圆柱体流场内速度的分布云图

Fig.4 Velocity distribution cloud diagram in single cylinder flow field

图5 单圆柱体流场内的速度变化曲线

Fig.5 Velocity variation curve in the single cylinder flow field

图6 单圆柱体流场内的压力分布云图

Fig.6 Pressure cloud inside the flow field of single cylinder

图7 单圆柱体流场内的压力变化曲线

Fig.7 Pressure variation curve in the single cylinder flow field

图8 单圆柱体流场内的速度分布和压力分布曲线

Fig.8 Curves of velocity distribution and pressure distribution in the single cylinder flow

图9 三圆柱体流场内的速度分布云图

Fig.9 Velocity distribution cloud diagram in the three?cylinder flow field

图10 三圆柱体流场内的压力变化曲线

Fig.10 Pressure variation curve in the three?cylinder flow field

图11 三圆柱体流场内的速度分布曲线

Fig.11 Velocity distribution curve in the three?cylinder flow field

图12 四圆柱体方形排列流场内的速度分布云图

Fig.12 Velocity distribution cloud diagram in the flow field of four cylinders arranged in a square

图13 四圆柱体方形排列流场内的压力变化曲线

Fig.13 Pressure variation curve in the flow field of four cylinders arranged in a square

图14 四圆柱体方形排列流场内的压力分布曲线

Fig.14 Pressure distribution curve in the flow field of four cylinders arranged in a square

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