刚性耦合不等径双圆柱体增强流致振动能量采集特性的研究

本文通过数值模拟研究了低雷诺数(Re=150)下刚性耦合不等径双圆柱体(d0/D=0.2-1.0)在不同排列方式(平行/串联)中的流致振动(FIV)特性。研究发现平行排列时涡激振动(VIV)显著增强，而串联排列时屏蔽效应抑制振动；在阻尼比0.1时能量采集效率达0.101，较阻尼比0.007提升546.49%，为低流速环境下的能量采集提供了新思路。

　　

Highlight

刚性耦合圆柱体已成为研究热点，过去更多关注其对涡激振动(VIV)的抑制效应，而忽视了其振动能量采集性能。本研究设计了不等直径的刚性耦合圆柱体系统，通过低雷诺数Re=150的数值模拟，系统考察了流向方位、直径比(d₀/D=0.2-1.0)和折减速度U_r对耦合系统振动响应、流体动力学行为、涡脱落模式和能量采集效率的影响。

Results and Discussion

本节展示并讨论了不同直径刚性耦合圆柱体的FIV响应。首先分析了平行构型中的无量纲振动幅度，随后研究了典型流速下的无量纲振动幅度时间序列和升力系数，并对流体动力、流动结构和相干模态进行了深入解析。特别发现，在平行构型中流场复杂性增加，使VIV较孤立圆柱体显著增强；而串联构型中屏蔽效应抑制了VIV行为。在实验阻尼范围内，能量采集效率随阻尼比增加而提高，当阻尼比为0.1时达到最优效率0.101，较阻尼比0.007时提升546.49%。

Conclusions

本研究揭示了不等径刚性耦合圆柱体在平行和串联构型中的FIV行为与能量采集潜力。通过低Re=150数值模拟，系统分析了振动幅度、频率响应、流体动力学、涡结构和相干涡脱落模式等关键动力学参数，阐明了这些耦合系统背后的流固耦合机制。研究结果为低流速环境下VIV能量采集效率提升提供了新策略。