柔性圆柱涡激振动流体力系数识别及其特性

涡激振动是诱发海洋立管、浮式平台系泊缆和海底悬跨管道等柔性圆柱结构疲劳损伤的重要因素.目前,海洋工程中用于柔性圆柱涡激振动预报的流体力系数主要来源刚性圆柱横流向受迫振动的实验数据,存在一定缺陷和误差.本文综合考虑横流向与顺流向振动耦合作用,建立了柔性圆柱涡激振动流体力模型,运用有限元法和最小二乘法确定升力系数、脉动阻力系数和附加质量系数.为了准确识别柔性圆柱涡激振动流体力系数,设计并开展了拖曳水池模型实验,实验用柔性圆柱模型的质量比为1.82,长径比为195.5.通过与刚性圆柱流体力系数对比,深入分析了柔性圆柱流体力系数的特性.结果表明:柔性圆柱在一阶模态控制区,流体力系数随约化速度变化趋势与刚性圆柱大致相似;二阶模态控制区,升力系数和脉动阻力系数显著增大;附加质量系数在响应频率较低时与振动位移的相关性增强;当响应频率较低时,振动位移较大区域为能量耗散区,当响应频率较高时,振动位移较大区域为能量输入区.     

带有新型涡激振动抑制罩的圆柱体的水动力特性

通过模型实验和数值模拟计算,研究了带有涡激振动抑制罩的圆截面柱体的水动力特性.模型实验主要测试了柱体上附加谐波型和类圆锥型涡激振动抑制罩的单摆结构在不同流速下发生涡激振动的性质;数值模拟则针对谐波型和圆锥型扰动,在雷诺数Re为102到105范围内,研究其水动力参数,如阻力、升力和涡脱落频率等,随扰动波长和波动强度的变化.模型实验结果表明,在直圆柱开始发生共振的流速下,带抑制罩的柱体的振幅显著降低,而在更高流速下则显著增大.数值模拟结果表明,谐波型和圆锥型扰动具有相似的水动力特性;且在不同Re时,阻力、升力和涡脱落频率具有相似的变化规律;随波动强度的增大,阻力一般逐渐增大,升力则在多数情况下先减小而后增大,而涡脱落频率一般逐渐减小.      

利用O型环抑制圆柱绕流涡脱落的数值研究

圆柱绕流涡脱落诱发较大的振动和声,如何有效地抑制值得关注。利用大涡模拟技术求解了Navier—Stokes方程,得到了涡脱落频率,升力脉动幅值及平均阻力系数。计算表明二维模拟不能体现流动基本特征．三维计算与实验吻合较好。为了抑制涡脱落,在直径为D的圆柱表面装入间距为1D．直径为0．0167D的O型环。通过升力、速度谱分析以及柱向横截面流场分析可知．在光滑圆柱外表面加入O型环能诱发流体边界层分离,有效地抑制涡脱落现象．升力脉动和观测点速度脉动幅值几乎完全消失,阻力系数也略微降低,适合在实际工程中采用。     

圆柱附加旋转整流罩表面压力分布及气动力特性

对圆柱附加固定整流罩的已有研究表明,它在降低升阻力和抑制涡激振动方面有优良的效果。但固定整流罩具有方向敏感性,当来流方向改变后效果会受到显著影响,甚至起到增加升阻力和加剧涡激振动的反作用。本文给圆柱附加了圆弧直径为40mm,形状夹角α分别为30°、45°、60°、75°和90°五种尺寸的旋转整流罩,并进行了风洞实验。其中整流罩可以自由地围绕圆柱轴线旋转。实验结果表明:旋转整流罩在流体力产生的力矩作用下,旋转至一个偏离尾流中心线固定角度的动态平衡位置,而平衡位置偏转角δ随着形状夹角α的增大而增大。附加旋转整流罩后,相对单圆柱能够提高尾迹区域压力,并能使时均阻力和脉动升力分别在α=30°和α=75°时获得最大43.5%和67.0%的降低。此外,对于小α(α≤60°)情况,漩涡脱落频率明显高于单圆柱情况,而对于大α(α≥75°)情况,则与单圆柱情况相接近。所有旋转整流罩升力主频的幅值较之单圆柱有了很大程度的降低,可见旋转整流罩在抑制漩涡脱落方面有很好的效果。     

利用O型环抑制圆柱绕法流涡脱落的数值研究

圆柱绕流涡脱落诱发较大的振动和声,如何有效地抑制值得关注.利用大涡模拟技术求解了Navier-Stokes方程,得到了涡脱落频率,升力脉动幅值及平均阻力系数.计算表明二维模拟不能体现流动基本特征,三维计算与实验吻合较好.为了抑制涡脱落,在直径为D的圆柱表面装入间距为1D,直径为0.0167D的O型环.通过升力、速度谱分析以及柱向横截面流场分析可知,在光滑圆柱外表面加入O型环能诱发流体边界层分离,有效地抑制涡脱落现象,升力脉动和观测点速度脉动幅值几乎完全消失,阻力系数也略微降低,适合在实际工程中采用.     

剪切流下发生涡激振动的柔性立管阻力特性研究

利用缩尺模型试验的方法研究了线性剪切流下涡激振动发生时柔性立管的阻力特性.文中基于光纤光栅应变传感器测得的模型应变信息,采用梁复杂弯曲理论计算了立管的平均阻力,继而分析了阻力系数沿管长方向和雷诺数的分布特性以及涡激振动对阻力系数的放大效应,并提出了用于估算柔性立管发生涡激振动时阻力系数的经验公式.结果表明:涡激振动对阻力系数有放大效应,使得立管局部阻力系数高达3.2;平均阻力系数在1.0×104到1.2×105的雷诺数区间内的值为1.3~2.0,并随雷诺数的增大而减小.本文提出的经验公式可准确估算高雷诺数下涡激振动发生时柔性立管的阻力系数,此经验公式考虑了流速、涡激振动主导模态以及主导频率对阻力系数的影响.      

不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟

采用浸入边界法对细长柔性圆柱在线性剪切流条件下的涡激振动进行三维数值模拟。细长柔性圆柱振动采用三维索模型模拟,其两端铰接,质量比为6,长细比为50,无量纲顶张力为496。来流为线性剪切流,剪切率从0到0.024变化,最大雷诺数为250。研究发现:剪切流作用下柔性立管横流向振动表现为驻波模式,而顺流向振动表现为行波-驻波混合模式。随着剪切率增大,振动频谱呈现多频响应,振动能量逐渐向低频转移。阻力系数平均值随着展向变化,脉动阻力系数和升力系数的均方根值均表现为“双峰”模式。流固能量传递系数沿立管轴向的分布表明,振动激励区集中于高流速区,而振动阻尼区多位于低流速区。剪切率较小时,圆柱的泻涡为平行交叉模式;剪切率较大时,圆柱的泻涡为倾斜泻涡模式,且由于泻涡频率沿立管轴向变化,尾流发生涡裂现象,形成泻涡频率不同的胞格结构。      

微细三角柱流固耦合动态特性的三维数值研究

在三维双向流固耦合计算基础上使用动网格方法,通过求解不可压缩粘性流体的N-S方程,数值研究了低速流速下(2.5m/s~15m/s)气体绕流微细三角钝体的耦合动态特性及涡激振动特性,得到了运动微细三角柱的升力系数、涡脱频率和振动振幅。观测到了微细三角柱的"锁振"和"拍"现象。接着计算了相同流场条件下的相同尺寸二维三角柱双向流固耦合涡激振动,并将结果与文献及本文中三维模型进行对比发现,三维模型的升力系数的平均幅值、涡脱频率和斯特劳哈尔数较之本文及文献中的二维数值模型较小。     

不同控制角下附加圆柱对圆柱涡激振动影响

在弹性支撑的圆柱周围布置直径更小圆柱会影响剪切层发展以及旋涡脱落,进而改变其涡激振动状态.通过不同的布置形式和附加小圆柱个数可以实现对圆柱涡激振动的促进或抑制.激励更大幅值的振动可以更好地将水流动能转化为可利用的机械能或电能,抑制其振动则可以实现对海洋平台等结构物的保护.采用基于迭代的嵌入式浸入边界法对前侧对称布置两个小圆柱的圆柱涡激振动进行数值模拟研究,系统仅做横向振动,其中基于主圆柱直径的雷诺数为100,质量比为2.0,折合流速为3~11.小圆柱与主圆柱的直径比为0.125,间隙比为0.125.结果表明,在研究的控制角范围内(30°~90°),附加小圆柱可以很大程度上改变圆柱涡激振动的状态.当控制角较小(30°)时,附加小圆柱对主圆柱的振动起抑制作用;当控制角为45°~60°时,圆柱的振动分为涡振和弛振两个阶段,在弛振阶段,圆柱振幅随折合流速增加而持续增加;当控制角较大(75°~90°)时,附加小圆柱的促进作用随着控制角增加而减小.进一步地,结合一个周期内不同时刻旋涡脱落以及圆周压强分布,解释了附加小圆柱对主圆柱涡激振动的作用机制.应用能量系数对圆柱系统的进一步分析发现,弛振阶段由流体传递到主圆柱的能量系数随折合流速的增加逐渐下降,旋涡结构的改变是产生这种变化的直接原因.      

基于能量传递规律的海洋立管涡激振动抑制研究

涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要因素, 抑制振动能够保障结构安全, 延长使用寿命. 多数涡激振动抑制方法基于干扰流场的方式, 但在复杂环境条件下, 仅通过干扰流场对振动的抑制效果有限. 因此, 从结构层面考虑开展了海洋立管涡激振动抑制研究. 基于能量传递的理论, 阐述了立管涡激振动过程中的能量传递规律. 振动能量以行波形式由能量输入区传播至能量耗散区, 主要在能量耗散区被消耗. 通过局部增大能量耗散区的阻尼, 增加振动能量在传播过程中的消耗, 实现涡激振动抑制. 为了求解立管涡激振动响应, 构建了尾流振子预报模型, 并根据实验结果验证了理论模型的可靠性. 基于理论计算得到的能量系数, 判定立管涡激振动的能量输入区和能量耗散区. 通过对比立管增大阻尼前后的响应, 分析了涡激振动抑制效果. 研究结果表明: 在能量输入区增大阻尼对涡激振动的抑制效果并不显著; 在能量耗散区增大阻尼使能量衰减系数达到临界值之后, 能够显著降低立管上部和底部的涡激振动位移; 当能量衰减系数超过临界值后, 继续增大耗散区阻尼对涡激振动抑制效果的提升不明显.      

Numerical simulation with a TVD–FVM method for circular cylinder wake control by a fairing

A water drop-shaped fairing is applied to control the wake behind a circular cylinder and to suppress the formation of Karman vortex street in this paper. The results are evaluated using high resolution CFD technique. A finite-volume total variation diminishing (TVD) approach based upon the recently proposed elemental velocity vector transformation (EVVT) method, which aims at solving the incompressible turbulent flow for irregular boundary conditions with renormalization group (RNG) turbulence model, is used to simulate the flow field around circular cylinder systems. The calculations are carried out with cylinder systems with and without fairings, while the fairings have different top shape angles within the range of $30°~90°$. The Reynolds number ranges from 1000 to 50 000. It is shown that the simulation results of present numerical method reaches good agreement with the available experimental and numerical simulation data of typical circular cylinder flow and a fixed fairing cylinder system flow. Compared with bare cylinder, the faired bluff structures can obviously reduce the lift and drag forces and alter the vortex shedding frequency. Overall, the mean drag coefficient can be reduced up to about (10–31)% and the RMS lift coefficient can be reduced up to (30–99)% for all faired systems at given Reynolds numbers. The influence of Reynolds number and attack angles on the flow field characters of bare cylinder and faired cylinders is also discussed. The faired structures with shape angles within $30°~45°$under zero-attack-angle-inflow case are considered as the optimal structures, with which the mean drag coefficient and the RMS lift coefficient can be reduced up to (26–31)% and (98–99)%, respectively. Considering the influence of attack angles on lift and drag coefficients reduction, 75° shaped faired structure may be taken as a proper option.     

平板大攻角绕流升力和阻力系数的计算

二维平板或二维对称薄翼型大攻角绕流升力和阻力系数与攻角之间存在的函数关系一般用数据表格的形式给出。本文根据垂直平板绕流阻力实验数据和对称薄翼型全攻角绕流实验数据,分析得到了平板大攻角绕流总压力及其升力分量和阻力分量系数的近似计算公式。结果表明：平板总压力系数约等于攻角正弦值的2倍;总压力的阻力分量系数约等于攻角正弦值平方的2倍;升力分量系数约为攻角2倍的正弦值。计算结果与两组试验数据具有较好的一致性。     

串列双锥柱绕流流动特性的大涡模拟研究

利用大涡模拟研究了雷诺数Re = 3900下串列双锥柱在间距比L/D_m = 2 ~ 10下的升阻力特性及三维流动结构. 研究发现: 上游锥柱在后方形成的两个展向不对称回流区, 使其后方压力分布不对称. 上游锥柱发展的上洗、下洗和侧面剪切层作用在下游锥柱的附着点位置不同是上游和下游锥柱时均阻力系数和脉动升力系数变化的主要原因, 串列双锥柱间流动结构随间距比变化可分为三种状态: 剪切层包裹状态, 过渡状态及尾流撞击状态. 剪切层包裹状态. 上游锥柱的自由端主导来流在下游锥柱迎风面影响范围广, 上游锥柱剪切层完全包裹住下游锥柱, 从而抑制下游锥柱后方回流区形成, 导致下游锥柱时均阻力系数降低; 尾流撞击状态; 上游锥柱尾流得到充分发展, 其回流区大小随间距比增大不再发生变化, 上游锥柱尾流出现周期性脱落, 撞击在下游锥柱表面, 从而使脉动升力系数大幅增加, 最大脉动升力系数较单直圆柱提升约20.7倍; 过渡状态, 此时时均阻力系数和脉动升力系数均会较剪切层包裹状态增加. 该研究可以为风力俘能结构群列阵布局提供理论支持.      

Influences of suction and blowing on vortex shedding behind a square cylinder in a channel

The structure of confined wakes behind a square cylinder in a channel subject to a locally uniform suction or blowing at both the channel walls is presented. A pressure based finite-difference technique has been used to solve the unsteady Navier-Stokes equations. It is observed that the amplitude of the lift coefficient decreases with increase in the blowing velocity. Coefficients of drag also decrease for the application of uniform blowing and for a suitable value of the blowing parameter, the flow becomes steady and symmetric. The amplitude of the lift coefficients increases up to a certain limit of suction velocity and after that it suddenly decreases and flow becomes steady. Coefficients of drag also gives the same feature. Effects of the suction and blowing on the vortex-shedding region are analyzed in detail and presented graphically.     

分块法研究圆柱绕流升阻力

使用新的分块耦合方法，分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值模拟．对于单圆柱绕流，低Re下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近．对于串列双圆柱绕流，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响，计算结果与实验非常吻合，为进一步研究涡致振动提供了依据．     

大雷诺数线性剪切流绕圆柱的分离流动

本文采用离散涡方法计算了大雷诺数下线性剪切流绕圆柱的分离流动,计算结果给出阻力系数、横向力系数、边界层分离点、斯特罗哈数及尾流中旋涡的分布图案,计算数据与已有的实验数据相吻合。     

大雷诺数线性剪切流绕圆柱的分离流动

本文采用离散涡方法计算了大雷诺数下线性剪切流绕圆柱的分离流动,计算结果给出阻力系数、横向力系数、边界层分离点、斯特罗哈数及尾流中旋涡的分布图案,计算数据与已有的实验数据相吻合。     

棱柱绕流流动的数值模拟

利用数值方法对长宽比为1／3, 1和3的棱柱绕流在雷诺数为100的非稳态流动特性进行了分析和研究。采用有限体积法对棱柱绕流的二维流动N-S方程进行离散求解,分析和研究了非稳态的棱柱绕流流场,升力系数,阻力系数和涡动特性,数值模拟的结果与相关文献的数据比较吻合。通过上述研究能够为了解棱柱绕流的非稳态流动特性提供有力的帮助。而对棱柱三维流动的模拟分析和对雷诺数的变化对棱柱流动特性的影响进行研究,将为掌握棱柱绕流的工程特性打下基础。