基于UDF的前置隔板墩臺渦激振動抑制數(shù)值分析

摘 要：采用用戶自定義函數(shù)（UDF）中三大宏編程更新墩臺的質(zhì)心位置和振動狀態(tài)，通過建立墩臺渦激振動數(shù)值模型并結(jié)合嵌套網(wǎng)格技術(shù)，對有無前置隔板墩臺的水動力特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：設(shè)置前置隔板后，約化速度為6～7時墩臺的回流區(qū)順流向長度和渦流長度隨著約化速度增大顯著減小，而無前置隔板時墩臺表現(xiàn)出相反趨勢，前置隔板有效抑制了尾流擾動。約化速度為7～9時，有前置隔板墩臺的回流區(qū)順流向長度和渦流長度比無前置隔板墩臺的小，前置隔板減弱了渦激振動對墩臺的影響。前置隔板有效延遲了旋渦脫落時間，墩臺上下表面壓力分布更為均勻，減弱了墩臺的渦激振動響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：UDF；前置隔板；墩臺；渦激振動抑制；嵌套網(wǎng)格

中圖分類號：O357.5+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.02.024

引用格式：施佳科，李東風(fēng)，陳姿妙，等.基于UDF的前置隔板墩臺渦激振動抑制數(shù)值分析[J].人民黃河，2025，47（2）：156-160.

基金項目：浙江省自然科學(xué)基金資助項目（LZJWZ22C030001，LZJWZ22E090004）；浙江省水利廳水利科技項目（RB2115）；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0402502）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51979249）

NumericalAnalysisofVortexInducedVibrationSuppression ofFrontPartitionPierBasedonUDF

SHIJiake1，2，LIDongfeng2，CHENZimiao2，WULuobin2，F(xiàn)ANGZhihao1，3，BAIFuqing2，HUJianyong2

（1.SchoolofNavalArchitectureandMaritime，ZhejiangOceanUniversity，Zhoushan316022，China；2.SchoolofHydraulicEngineering，ZhejiangUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Hangzhou310018，China；3.ShanghaiZhongshenIndustryCo.，Ltd.，Shanghai200131，China）

Abstract：UserDefinedFunctions（UDF）withthreemajormacroprogrammingwasusedtoupdatethecentroidpositionandvibrationstateof thepier，anumericalmodelofvortexinducedvibrationofthepierwasestablishedandcombinedwithnestedgridtechnologytoanalyzethe hydrodynamiccharacteristicsofthepierwithandwithoutprepartitionplates.Theresultsshowthataftersettingupthefrontpartition，the downstreamlengthandvortexlengthofthebackflowzoneofthepiersignificantlydecreasewiththeincreaseofthereducedvelocitywhenthe reducedvelocityis6-7，whilethepierwithoutaprebaffleshowstheoppositetrend.Theprebaffleeffectivelysuppressesthewakedisturb？ ance.Whenthereducedspeedisbetween7and9，thelengthofthedownstreamandvortexintherecirculationzoneofthepierwithafront baffleissmallerthanthatofthepierwithoutafrontbaffle.Thefrontbafflereducestheimpactofvortexinducedvibrationonthepier.The frontpartitioneffectivelydelaysthevortexsheddingtime，andthepressuredistributionontheupperandlowersurfacesofthepierismoreu？ niform，weakeningthevortexinducedvibrationresponseofthepier.

Keywords：UDF；frontpartition；pier；vortexinducedvibrationsuppression；nestinggrid

在水工建筑物設(shè)計中，河道、溢洪道和消力池等水道中的閘墩、分隔墩、消力墩等多以墩臺形式呈現(xiàn)[1-2]，水流繞過墩臺后產(chǎn)生渦激振動，會引起墩臺結(jié)構(gòu)破壞[3-4]。學(xué)者們對海洋工程、機(jī)械工程和航空航天工程等領(lǐng)域的流體流動旋渦抑制研究較為深入[5-7]，但在水利工程領(lǐng)域的研究不多[8]。流體流動旋渦抑制分為主動抑制和被動抑制，其中主動抑制需要對水流運動系統(tǒng)額外輸入能量，雖然可以抑制旋渦，但額外增加了能源動力費用，對水工建筑物的運行和管理也會帶來一定困難。相較而言，被動抑制只需要優(yōu)化設(shè)計墩臺的幾何外形，或添加隔板等附屬擾流裝置，就可以抑制流體分離和渦激振動[1-2]。Zdravkov？ ich[9]對各種流體流動旋渦被動抑制技術(shù)進(jìn)行了全面總結(jié)；Gao等[10]對設(shè)有不同長度前置隔板的圓柱體進(jìn)行了風(fēng)洞實驗，發(fā)現(xiàn)前置隔板長度等于圓柱體直徑時，與無前置隔板相比，其平均阻力系數(shù)、均方根升力系數(shù)分別減小36%、63.6%。然而，以往研究尚未揭示抑制水工建筑物圓形墩臺渦激振動的機(jī)理。

本文以Khalak等[11]開展的經(jīng)典實驗為基礎(chǔ)，構(gòu)建墩臺渦激振動數(shù)值模型，設(shè)置計算域邊界條件，應(yīng)用UDF方法求解墩臺雙向流固耦合問題，通過將相同幾何動力參數(shù)的無前置隔板墩臺渦激振動數(shù)值模型模擬結(jié)果與Khalak等[11]得出的經(jīng)典實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證數(shù)值模型的精確性，分析有無前置隔板墩臺尾跡變化情況、旋渦脫落情況、瞬時壓力系數(shù)分布，進(jìn)而揭示墩臺渦激振動抑制機(jī)理。

1 墩臺渦激振動數(shù)值模型構(gòu)建和驗證

1.1 流場控制方程

1.3 模型定解條件

建立墩臺渦激振動數(shù)值模型（見圖1），計算域尺寸為20D×40D（其中D為墩臺直徑，取值0.0381m）。設(shè)置計算域邊界條件與Khalak等[11]開展的經(jīng)典實驗邊界條件相同，即水流流入計算域的入口邊界為速度進(jìn)口邊界，出口邊界為壓力出口邊界，水流與墩臺的接觸面為固壁邊界（無滑移壁面邊界），計算域的頂部和底部均為對稱邊界。將來流方向設(shè)置為x方向，垂直來流方向設(shè)置為y軸方向。把結(jié)構(gòu)初始速度和位移均為0作為初始條件。

墩臺中心位于距離速度進(jìn)口邊界和兩個對稱邊界10D處，前置隔板長度、厚度分別取D、0.06D[12]。實際來流速度U∞為0.0762～0.1524m/s時，對有無前置隔板的墩臺渦激振動進(jìn)行數(shù)值分析。上述實際來流速度范圍對應(yīng)約化速度Ur范圍為5～10，其表示結(jié)構(gòu)振動一個周期內(nèi)流體路徑與結(jié)構(gòu)特征尺寸的比值，是速度的無量綱參數(shù)。

1.4 嵌套網(wǎng)格劃分與插值處理

為分析隔板與墩臺周圍的水體流動特征，采用嵌套網(wǎng)格技術(shù)將整個計算域劃分成背景網(wǎng)格（網(wǎng)格數(shù)量為41936個），將與墩臺同心半徑為3D的圓作為伴隨運動區(qū)域。對網(wǎng)格進(jìn)行插值處理，組分網(wǎng)格最外層邊界被定義為Overset邊界，以便其與背景網(wǎng)格之間進(jìn)行流場信息傳輸，插值前后網(wǎng)格對比見圖2。

1.5 UDF實現(xiàn)原理

在Fluent中每個剛體都有定義的質(zhì)心。DEFINE_CG_MOTION是用戶自定義函數(shù)的一種宏，用于定義剛體的質(zhì)心運動。函數(shù)控制剛體質(zhì)心的運動方式，通過計算線速度和角速度，間接更新剛體位置，描述剛體在流場中的運動規(guī)律。結(jié)構(gòu)振動會導(dǎo)致流體邊界隨時間變化，UDF可定義邊界隨振動結(jié)構(gòu)的運動規(guī)律。DEFINE_GRID_MOTION是一種用于定義網(wǎng)格動態(tài)運動的宏，通過直接修改網(wǎng)格中的節(jié)點坐標(biāo)，實現(xiàn)復(fù)雜的邊界運動和流固耦合，靈活模擬動態(tài)網(wǎng)格。UDF還可以自定義輸出，提取研究所需數(shù)據(jù)。DEFINE_EXECUTE_AT_END是一種執(zhí)行用戶自定義計算任務(wù)的宏。在每個仿真時間步結(jié)束時，采用Fluent調(diào)用龍哥庫塔四階方程函數(shù)，以便更新墩臺的振動狀態(tài)（位移和速度）。

1.6 雙向流固耦合求解

雙向流固耦合求解過程見圖3。

1.7 模型預(yù)測精度驗證

對墩臺結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行無量綱設(shè)定：質(zhì)量比為10，阻尼比為0.00542，固有頻率為0.4Hz。通過將相同幾何動力參數(shù)的無前置隔板墩臺渦激振動數(shù)值模型預(yù)測結(jié)果與Khalak等[11]得出的經(jīng)典實驗結(jié)果進(jìn)行比較，驗證數(shù)值模型的預(yù)測精度。選擇最大振幅比與振動頻率進(jìn)行對比，結(jié)果見圖4[圖（b）中fn為結(jié)構(gòu)固有頻率，fb為結(jié)構(gòu)實際振動頻率，當(dāng)兩者一致時會產(chǎn)生共振]，預(yù)測結(jié)果與經(jīng)典實驗結(jié)果（定量和變化趨勢）較一致，說明數(shù)值模型具有較高的預(yù)測精度。

2 前置隔板墩臺渦激振動抑制機(jī)理分析

2.1 墩臺尾跡變化

圖5為來流約化速度Ur=7時有無前置隔板墩臺的速度均方根（Urms）等值線，其可反映墩臺尾跡旋渦的強(qiáng)度和范圍。圖5中回流區(qū)順流向長度Lr代表時均順流向速度最小值所處位置與墩臺中心的距離，對稱分布的2個Urms峰值代表剪切層旋滾位置，渦流長度Lv代表墩臺中心和剪切層旋滾位置之間的流向距離，尾流寬度W代表2個Urms峰值之間的縱向距離。分析圖5可知，速度均方根等值線在尾跡軸上呈現(xiàn)出良好的對稱性。墩臺的存在以及剪切層的分離，使尾跡區(qū)產(chǎn)生較為明顯的低流速區(qū)域。回流區(qū)末端與尾跡軸上速度最大值所處位置密切對應(yīng)。有前置隔板墩臺的Lr、Lv值分別比無前置隔板墩臺的降低了3.0%、2.2%。從x=0.5D、y=0.2D處剪切層附近的等值線可以看出，有前置隔板墩臺的水體流速梯度較小，抑制了分離流的擴(kuò)散效應(yīng)，剪切層之間的距離更近。

有無前置隔板墩臺的尾跡參數(shù)見表1。Ur為6～7（實際來流速度為0.09144～0.10668m/s）時，有前置隔板墩臺的Lv和Lr值隨著約化速度增大顯著減小，而無前置隔板墩臺的Lv、Lr值隨著約化速度增大顯著增大，說明在此速度區(qū)間內(nèi)前置隔板有效抑制了尾跡的擾動。Ur為7～9時，有前置隔板墩臺的Lv、Lr值均小于無前置隔板墩臺的。回流區(qū)較短時，渦流強(qiáng)度低，渦激振動幅度小。渦流長度較短時，渦流作用時間不夠持久，產(chǎn)生的振動幅度較小。因此，設(shè)置前置隔板減弱了渦激振動對墩臺的影響。

2.2 墩臺周期性旋渦脫落

圖6為無前置隔板墩臺的渦量等值線，可反映墩臺尾跡旋渦的周期性脫落情況。y/D<0的渦量等值線反映0～T/2時段的旋渦脫落情況（T為旋渦脫落周期），y/D>0的渦量等值線反映T/2～T時段的旋渦脫落情況。分析圖6可知，墩臺兩側(cè)剪切層中顯示出較高的渦流強(qiáng)度，剪切層不斷向下游移動。t=0時刻的渦量等值線顯示了從底部剪切層開始的逆時針旋渦，隨著時間延長，旋渦范圍增大。0～T/2時段，渦脫后渦量逐漸減小，同時向下游移動并擴(kuò)展，渦量等值線在渦流中分布較為均勻，渦流渦量耗散較慢。當(dāng)時間超過T/2時，來自上部剪切層的渦流出現(xiàn)夾帶y/D=0以下旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流趨勢。當(dāng)時間超過3T/4時，即將脫離的渦旋有被墩臺尾跡另一側(cè)水流切斷趨勢。

有前置隔板墩臺的渦量等值線見圖7。分析可知，與無前置隔板墩臺相比，0～T/2時段有前置隔板墩臺時其尾部旋渦在發(fā)展時受流體干擾較持久，導(dǎo)致脫落時尺寸較小，渦結(jié)構(gòu)受到明顯抑制，表明前置隔板延緩了流體在墩臺后部的旋渦脫落行為。渦量等值線在渦流中分布較不均勻，前置隔板削弱渦量較為明顯。因此，設(shè)置前置隔板墩臺增加了旋渦脫落前流體的動能耗散，減少了流場對墩臺的作用力。

2.3 瞬時壓力系數(shù)分布

圖8為有無前置隔板墩臺表面的瞬時壓力系數(shù)Cp分布情況（圖中x/D為-1.5～-0.5時對應(yīng)于順流向前置隔板結(jié)構(gòu)，x/D為-0.5～0.5時對應(yīng)于順流向裸墩臺結(jié)構(gòu)）。對于無前置隔板墩臺，約化速度為5時Cp分布呈現(xiàn)傾斜的“8”字形，墩臺上下表面Cp差值顯著，導(dǎo)致振動響應(yīng)增強(qiáng)；約化速度增大到8和10時，墩臺上下表面Cp分布較一致，從而減弱了振動響應(yīng)。對于有前置隔板墩臺，約化速度為8、10時x/D為-1.5～-1.0（隔板前半部分）處墩臺上表面Cp大于下表面Cp，x/D為-1.0～-0.5（隔板后半部分）處墩臺下表面Cp大于上表面Cp，兩種方向相反的水流力作用在有前置隔板墩臺表面，對總水流升力幾乎沒有貢獻(xiàn)。x/D為-1.5～0.5（從隔板起始位置到隔板尾部）處，隔板上的Cp差呈現(xiàn)先減小后增大再減小趨勢。原因是前置隔板上的水體流動類似于在細(xì)長鈍體上的流動，在隔板前緣與墩臺交界處存在明顯的回流區(qū)，使墩臺前端速度波動，導(dǎo)致前置隔板上存在過渡流[13]。約化速度為10時，有前置隔板墩臺上下表面壓力分布均勻，沒有明顯的壓力差，導(dǎo)致升力幾乎為0，從而抑制了渦激振動。

3 結(jié)論

1）通過建立渦激振動數(shù)值模型，采用嵌套網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)了流場信息傳輸，基于UDF三大宏編程實現(xiàn)網(wǎng)格動態(tài)運動以及更新墩臺的質(zhì)心位置和振動狀態(tài)。通過將模型預(yù)測結(jié)果與經(jīng)典試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了模型具有較高的預(yù)測精度。

2）與無前置隔板墩臺相比，有前置隔板墩臺改善了尾部的水動力特性。約化速度為6～7時，前置隔板有效抑制了尾流擾動。約化速度為7～9時，有前置隔板時墩臺回流區(qū)順流向長度和渦流長度比無前置隔板墩臺時小，前置隔板減弱了渦激振動對墩臺的影響。

3）前置隔板延遲了旋渦脫落發(fā)生時間，墩臺上下表面壓力分布較為均勻，導(dǎo)致升力幾乎為0，有效減少了渦激振動帶來的不利影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 閆秀秀，尹進(jìn)步，張曜，等.導(dǎo)流洞復(fù)合式出口消能體型的研究與應(yīng)用[J].人民黃河，2024，46（4）：157-162.

[2] 趙雪萍，李璐，趙玉良，等.溝水坡水庫溢洪道彎道水流及消能實驗研究[J].人民黃河，2022，44（5）：128-131，146.

[3] 吳新，鄒志風(fēng).旋轉(zhuǎn)方式對并列雙圓柱繞流特性的影響[J].人民黃河，2017，39（11）：71-75.

[4] 黃友明.水力學(xué)的基本理論及其在土木工程中的應(yīng)用：評《水力學(xué)（第三版）》[J].人民黃河，2024，46（4）：163.

[5] 孔令輝，劉東，張雷，等.水力機(jī)械抗空蝕涂層研究進(jìn)展[J].人民黃河，2023，45（6）：157-162.

[6] 楊卓媛，夏軍強(qiáng)，宋紅波，等.大型水庫運用對河口尾閭河道出汊的影響研究[J].人民黃河，2024，46（4）：37-42.

[7] 梁艷潔，趙正偉.黃河口漁洼河段河勢及治理方案研究[J].人民黃河，2023，45（11）：65-69.

[8] 郭博文，高玉琴，范冰，等.基于LES的水工鋼閘門流激振動數(shù)值模擬研究[J].人民黃河，2024，46（3）：126-131.

[9] ZDRAVKOVICHMM.ReviewandClassificationofVarious AerodynamicandHydrodynamicMeansforSuppressing VortexShedding[J].JournalofWindEngineeringandIndus？ trialAerodynamics，1981，7（2）：145-189.

[10] GAODL，CHENGB，HUANGYW，etal.FlowCharacter？ isticsofaFixedCircularCylinderwithanUpstreamSplitter Plate：OnthePlate？LengthSensitivity[J].Experimental ThermalandFluidScience，2020，117：110135.

[11] KHALAKA，WILLIAMSONHKC.Motions，F(xiàn)orcesandMode TransitionsinVortex？InducedVibrationsatLowMass？ Damping[J].JFluidsStruct，1999，13（7-8）：813-851.

[12] WANGEH，ZHAOSH，XUWH，etal.EffectofSplitter PlateLengthonFIVofCircularCylinder[J].International JournalofMechanicalSciences，2023，254：108413.

[13] CHUTKEYK，SURIYANARAYANANP，VENKATAKRISHNAN L.NearWakeFieldofCircularCylinderwithaForward SplitterPlate[J].JournalofWindEngineeringIndustrial Aerodynamics，2018，173：28-38.

【責(zé)任編輯 栗 銘】