方柱绕流的驰振与涡致振动：250雷诺数下的ALE数值模拟

本文档深入探讨了在Reynolds数为250的情况下，对方柱绕流的横向驰振和涡致振动进行数值模拟的研究。研究者邓见、任安禄和邹建锋来自浙江大学力学系，他们针对弹性支撑的方形柱体，采用了先进的数值方法进行分析。 首先，作者采用了基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）框架的不可压流体Navier-Stokes方程来模拟流场。这种描述方式允许对流动区域的几何形状变化进行适应，从而精确处理方柱在绕流中的动态变形。流体动力学方程的对流项和扩散项分别采用了高精度的三阶迎风紧致格式和四阶紧致格式进行离散，确保了数值解的稳定性与准确性。 网格生成是数值模拟的关键步骤，文中采用了分块耦合技术生成结构化网格，这种技术有助于提高网格的正交性，从而减小数值误差，更好地捕捉复杂流场下的物理现象。通过这种方法，作者能够有效地模拟柱体在流场中的响应，包括驰振和涡致振动的转换过程。 驰振是指在没有外力作用下，柱体因自身重量和流体动力相互作用产生的周期性振荡，而涡致振动则是由流体诱导的周期性振动，当柱体的自然频率接近流体涡旋频率时会发生锁定现象。在这项研究中，作者成功地模拟并捕捉到了这些振动模式的变化，包括“锁定”状态，即柱体与涡旋同步振动，以及“拍”现象，即柱体振动幅度随时间周期性增减，还有“相位开关”，即振动相位的突然改变。 最后，作者通过对计算结果的验证，确认了所使用的数值方法在模拟此类复杂流固耦合问题上的可行性。他们的研究成果为工程实际提供了重要的理论支持，对于理解和控制方形柱体在流场中的动态行为具有重要的实践意义，如风力发电机叶片设计、桥梁结构安全评估等领域。这篇论文是流体力学和工程计算力学领域的一篇重要贡献，展示了数值模拟技术在解决实际工程问题中的力量。