非定常尾流中极轻圆柱体的持续涡激振动

《Journal of Fluid Mechanics》：Vortex-induced vibration forever of an extreme-light cylinder in an unsteady wake

　　

摘要

涡激振动永存（VIVF）传统上与单个弹性支撑圆柱相关联，当质量比（$m^*$）低于临界值（$m_{cr}^*$）时，其振荡会在无限折合速度下持续存在。目前尚不清楚这种永久振动在非定常尾流条件下的存在性和特征。本研究调查了放置在无恢复力的上游固定圆柱尾流中的极轻圆柱的振动响应，特别关注临界质量比 $m_{cr}^*$ 随间距比（$L/D$）的存在性和变化。雷诺数设为 60，质量比 $m^*$ 范围为 0.2 到 14，间距比 $L/D$ 范围为 1.1 到 6.0。在 $(L/D,\, m^*)$ 参数空间中确定了三种振动状态：非振动（NV）、有限范围振动（LRV）和无限范围振动（IRV）。临界质量比 $m_{cr}^*$ 出现在 LRV-NV 边界处，在此边界处，随着 $m^*$ 接近 $m_{cr}^*$，振动幅度连续减小至零，这与单圆柱 VIVF 中观察到的突变形成对比；这种消亡与二阶流动模态的消失相重合。此外，$m_{cr}^*$ 由间距比相对于静止圆柱的涡形成长度 $L_{\!f}/D$ 控制：当 $L/D \lt L_{\!f}/D$ 时，$m_{cr}^*$ 随 $L/D$ 增加而增加；而对于 $L/D \gt L_{\!f}/D$，它随 $L/D$ 的进一步增加而减小。相比之下，在 IRV 状态下，流动保持持续的共脱落行为，且在所研究的 $m^*$ 范围内未观察到临界质量比，这表明尾流干扰重塑了系统的稳定性边界。

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