拉管结构绕流的数值模拟及理论分析

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圆截面拉管构件广泛应用于岸边集装箱起重机、履带起重机等工程机械产品上,这种结构件往往长细比较大,因此极易发生风致振动,强烈的振动能很快引起杆件两端固定处发生疲劳破坏。在风雨共同作用下,拉管表面会形成周期振荡的水线,进而激发拉管的大幅振动,这是一种比较特殊的风致振动现象,它引起的拉管振幅远大于其它类型的风致振动,学术上称之为风雨激振。本文应用数值模拟和理论分析的方法对拉管风雨激振现象进行了较详细的研究。研究内容如下:   (1)应用数值模拟方法研究水线位置角θ对拉管绕流的影响。首先建立了数值模拟的计算模型并设定边界条件,然后选取雷诺应力(RSM)模型,应用ANSYS CFX11.0计算流体力学软件对水线位于拉管不同位置的情况做数值模拟,得出拉管表面压力分布、升力系数、阻力系数随水线位置角θ的变化规律,最后与前人的试验数据进行对比,验证数值模拟的正确性;   (2)选取雷诺应力(RSM)模型,对四种不同水线尺寸下的拉管绕流进行数值模拟,得出绕流特性,并分析水线尺寸对拉管表面气动力系数的影响;   (3)分别选用标准κ-ε模型和雷诺应力(RSM)模型对拉管绕流现象做数值模拟,根据分析结果证明雷诺应力(RSM)模型更适合拉管风雨激振的研究,为今后此类研究中湍流模型的适当选取提供依据;   (4)建立拉管风雨激振的单自由度模型,并使用Matlab软件编制基于四阶龙格.库塔法的拉管运动微分方程求解程序。通过此程序计算四组算例,分别用来讨论水线初始位置角θi、拉管自振频率f、入口风速Uo、拉管空间姿态(倾角α,风向角β)对拉管振动的影响,并与已有的试验结果进行对比,验证理论分析的正确性。
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