圆柱体风致振动的行波壁流动控制方法与机理

An active traveling wave wall (TWW) method is developed to control the flow field around a circular cylinder and thus the wind-induced vibration. Firstly, the TWW method will be conducted with a fixed cylinder to control the oscillating wake flow and determine the optimal combination of control parameters, including the influence of propagation direction, wave velocity, wavelength and the maximum amplitude. Secondly, the full speed process, from a stationary state to the wind-induced vibration and then the activation of TWW, will be investigated by CFD simulation to examine the control effects through the evolutions of the flow field, the dynamic responses and the aerodynamic force characteristics. Thirdly, an elastically supported integration system of a circular cylinder and TWW will be developed by using the smart materials and the drive model of the system will be built. After which a series of wind tunnel experiments will be performed to validate the CFD results, including the dynamic responses and flow fields captured with a PIV system. At last, the mechanism of the TWW suppressing the wake flow oscillation and wind-induced vibration will be revealed according to the boundary vorticity flux and the relative flow field.

针对工程中常见的圆柱体风致振动效应，研究行波壁主动流动控制对圆柱体绕流场和风致振动的控制机理与设计方法。首先，采用行波壁方法控制固定圆柱绕流场的振荡尾迹，研究行波壁的传播方向、波速、波长和最大波幅等关键控制参数对控制效果的影响规律，并确定最优的控制参数组合。进一步，完成圆柱体从固定绕流到风致振动再到行波壁控制全风速过程的CFD数值模拟，通过各个阶段圆柱体的气动力、振动响应特征和流场演变规律研究行波壁方法的控制效果。然后，采用智能材料研制弹性支撑圆柱-行波壁控制系统并建立该系统的驱动模型，通过风洞实验和PIV技术研究不同阶段圆柱的动力响应和流场结构，将风洞实验与数值模拟结果进行对比分析。最后，通过边界涡量流和相对流场揭示行波壁方法抑制圆柱振荡尾流和风致振动效应的机理。

针对工程中常见的圆柱体风致振动效应，本项目采用数值模拟、风洞实验和理论分析相结合的方法研究行波壁流动控制方法与机理。完成了低雷诺数下二维圆柱和高雷诺数下三维圆柱绕流行波壁控制的CFD数值模拟，分析了不同行波参数对控制效果的影响规律，重点研究了行波的传播方向、行波最大波幅、行波个数和行波波速对圆柱气动力和尾流涡结构的影响。通过气动力的特征值来评价行波壁的控制效果和获得最优的控制参数组合。建立了弹性支撑行波壁圆柱的数值模型，完成了行波壁圆柱与流场的双向流固耦合效应的全风速数值模拟，研究得到了不同阶段圆柱的气动力和位移响应时程，并通过边界涡量流和相对流场图揭示行波壁控制方法的物理机理。开发了一套圆柱-行波壁系统，完成了固定圆柱绕流尾流行波壁控制效果的风洞实验。采用PIV技术测量圆柱-行波壁系统尾流的流场，通过标准圆柱、固定行波壁圆柱和不同波速下运动行波壁的尾流流场对比，分析不同来流风速和不同转速下的控制效果。本项目的研究将丰富和发展结构风工程和风振控制理论，为保障结构服役性能和服役安全提供科学和技术支撑，具有重要的科学意义和实用价值。