Abstract A nonlinear time-domain simulation model for predicting two-dimensional vortex-induced vibration (VIV) of a flexibly mounted circular cylinder in planar and oscillatory flow is presented. This model is based on the utilization of van der Pol wake oscillators, being unconventional since wake oscillators have typically been applied to steady flow VIV predictions. The time-varying relative flow–cylinder velocities and accelerations are accounted for in deriving the coupled hydrodynamic lift, drag and inertia forces leading to the cylinder cross-flow and in-line oscillations. The system fluid–structure interaction equations explicitly contain the time-dependent and hybrid trigonometric terms. Depending on the Keulegan–Carpenter number (KC) incorporating the flow maximum velocity and excitation frequency, the model calibration is performed, entailing a set of empirical coefficients and expressions as a function of KC and mass ratio. Parametric investigations in cases of varying KC, reduced flow velocity, cylinder-to-flow frequency ratio and mass ratio are carried out, capturing some qualitative features of oscillatory flow VIV and exploring the effects of system parameters on response prediction characteristics. The model dependence of hydrodynamic coefficients on the Reynolds number is studied. Discrepancies and limitations versus advantages of the present model with different feasible solution scenarios are illuminated to inform the implementation of wake oscillators as a computationally efficient prediction model for VIV in oscillatory flows.

中文翻译：

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尾流振荡器在振荡流中圆柱二维涡激振动中的应用

摘要 提出了一种非线性时域仿真模型，用于预测平面和振荡流中柔性安装圆柱体的二维涡激振动（VIV）。该模型基于 van der Pol 尾流振荡器的使用，这是非常规的，因为尾流振荡器通常用于稳定流 VIV 预测。在推导耦合的流体动力升力、阻力和惯性力时，考虑了随时间变化的相对流动-圆柱体速度和加速度，从而导致圆柱体横流和同轴振荡。系统流固耦合方程明确包含瞬态和混合三角项。根据结合流动最大速度和激发频率的 Keulegan-Carpenter 数 (KC)，执行模型校准，需要一组经验系数和表达式作为 KC 和质量比的函数。在变化 KC、降低流速、汽缸与流频率比和质量比的情况下进行参数研究，捕捉振荡流 VIV 的一些定性特征并探索系统参数对响应预测特性的影响。研究了水动力系数对雷诺数的模型依赖性。阐明了具有不同可行解决方案场景的本模型的差异和局限性与优势，以告知尾流振荡器作为振荡流中 VIV 的计算有效预测模型的实现。进行了降低流速、缸流频率比和质量比，捕捉了振荡流 VIV 的一些定性特征，并探索了系统参数对响应预测特性的影响。研究了水动力系数对雷诺数的模型依赖性。阐明了具有不同可行解决方案场景的本模型的差异和局限性与优势，以告知尾流振荡器作为振荡流中 VIV 的计算有效预测模型的实现。进行了降低流速、缸流频率比和质量比，捕捉了振荡流 VIV 的一些定性特征，并探索了系统参数对响应预测特性的影响。研究了水动力系数对雷诺数的模型依赖性。阐明了具有不同可行解决方案场景的本模型的差异和局限性与优势，以告知尾流振荡器作为振荡流中 VIV 的计算有效预测模型的实现。研究了水动力系数对雷诺数的模型依赖性。阐明了具有不同可行解决方案场景的本模型的差异和局限性与优势，以告知尾流振荡器作为振荡流中 VIV 的计算有效预测模型的实现。研究了水动力系数对雷诺数的模型依赖性。阐明了具有不同可行解决方案场景的本模型的差异和局限性与优势，以告知尾流振荡器作为振荡流中 VIV 的计算有效预测模型的实现。