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.      

“能量采集理论与器件力学设计”专辑序言

正1.背景近年来,低功耗无线传感器和嵌入式设备得到广泛应用,这为结构健康监测、无线供能技术的发展等起到积极作用.然而,常规的用于能量供给的化学电池其容量有限,而有些小型设备(例如心脏起搏器等)更换电池的代价高昂.基于这种原因,国内外学者试图从周围环境中实时地采集能量,以期解决上述电池供能的不足.能量采集(Energy Harvesting)也称能量俘获/收集/捕获等,通常是指将环境中盈余的能量(如振动     

海洋热塑性增强管(RTP)涡激振动数值计算

基于Van der Pol尾流振子模型和多体系统传递矩阵法(transfer matrix method for multibody systems, MSTMM), 建立了可以快速预测海洋热塑性增强管(reinforced thermoplastic pipe, RTP)振动特性和涡激振动响应的动力学模型. 仿真结果与ANSYS软件仿真结果以及文献实验数据对比, 验证了本文模型的准确性. 研究了考虑RTP立管刚性接头, 不同顶张力, 不同来流分布等情况对RTP立管涡激振动响应的影响. 计算结果表明: 流速越大, 立管涡激振动激发出的模态越高; 立管涡激振动主要受低阶模态控制; 立管的刚性接头对立管的湿模态影响较小, 但是对较高阶模态为主所激发出的涡激振动振幅分布影响较大; 剪切流对沿立管轴向的涡激振动振幅分布影响较大, 低流速能量小所引起的涡激振动幅值较小, 但是当剪切流流速达到能激发出较高阶模态时, 相比同等流速的均匀流所引起的涡激振动振幅要大.      

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.      

深海细长柔性立管涡激振动数值分析方法研究进展

深海细长柔性立管的涡激振动与刚性圆柱的涡激振动问题相比,既有联系又有区别.当立管的长细比(L/D)较大时,会展现出一些刚性圆柱涡激振动没有的现象.本文介绍了近几十年来深海开发的细长柔性立管涡激振动的研究进展,主要侧重于数值计算分析研究领域,对目前常用的数值分析方法进行了归纳和总结.在此基础之上,详细介绍了目前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如流场剖面的影响、立管顶端浮体运动的耦合、涡激振动抑制措施、振动多模态特性等.     

流致振动能量收集的钝头体几何设计研究

流致振动蕴含着可观的能量, 通过能量收集技术可将其转化为电能. 为提高低速流场中能量转化效率, 本文实验研究了不同截面下钝头体以及它们的宽厚比(W/T)对流致振动能量收集特性的影响, 并通过计算流体动力学(computational fluid dynamic, CFD)仿真分析了尾流特性. 流致振动能量收集装置由压电悬臂梁和不同截面的钝头体构成. 首先搭建了流致振动能量收集风洞实验平台, 钝头体的截面分别设置为矩形、三角形和D形, 宽厚比分别设定为1, 1.3, 1.8和2.5. 然后利用实验方法分析不同形状钝头体的宽厚比(W/T)对位移响应和电压响应的影响规律. 最后通过计算流体动力学模拟揭示实验结果的内在力学机理. 实验结果表明, 当钝头体截面为矩形时, 增大宽厚比可以显著提高电压输出峰值; 当钝头体为三角形和D形时, 增加宽厚比将使系统呈现“驰振”→“驰振 + 涡激振动”→“涡激振动”响应特性变化趋势, 提高了低风速时的能量收集效果. CFD结果解释了实验现象, 即随着宽厚比增加, 钝头体尾流会产生更加强劲的涡街, 显著提高流致振动能量收集效果. 相关结果可优化流致振动能量收集装置结构, 为提高低速流场的能量收集效果提供理论和实验依据.      

基于非线性吸能机理的涡激振动减振理论与实验研究

流致振动现象广泛存在于机械、航空、土木和石油等重要工程领域, 为防止工程结构因流致振动行为而造成疲劳破坏, 有必要对稳定性、动力学响应及其振动控制做深入研究. 本文提出了一种由弹簧和质量块构成的非线性吸能器(nonlinear targeted energy transfer, NTET), 研究了该非线性吸能器对弹性支承圆柱体涡激振动的被动控制影响机制. 基于能量法推导了圆柱体涡激振动非线性被动控制的耦合动力学方程, 通过设计非线性弹簧?质量块构型的NTET, 进一步开展了涡激振动控制的实验研究, 并与理论预测结果进行了较好的对比, 获得提升涡激振动控制效果的最佳参数值. 研究发现, NTET的质量、弹簧刚度以及弹簧预应力等参数会对涡激振动控制效果产生显著的影响. 本文研究结果表明, 该耦合系统中圆柱体和NTET均表现出周期性的稳态振动响应, NTET质量的改变会显著影响系统的耦合频率. 在无预应力状态下, NTET质量越大、刚度越小时, 有更好的减振效果. 当弹簧预应力逐渐增大时, NTET的非线性刚度逐渐变弱, 会降低涡激振动控制性能. 参数分析表明: 随着涡激振动控制性能的提升, 圆柱体的振幅逐渐较小, NTET的振幅逐渐增大, 能量传递效率逐渐提高. 研究结果可为工程中涡激振动控制策略的高效设计提供有用的理论支撑和实验数据.      

水流-圆柱-发电机动力相互作用量纲分析及实验装置

涡激振动能量转换装置涉及水流-圆柱-发电机之间复杂的动力耦合问题。本文从圆柱涡激振动、能量传递、电能转换三个方面对涡激振动能量转换装置的工作机理进行理论分析,提取出相关的影响参数,并应用量纲分析方法对水流、圆柱、发电机三者之间的动力耦合作用进行了分析,确定了实验模拟中应满足一致的相似参数。为了研究不同水流条件下涡激振动能量转换装置的工作特性,设计制作了一套实验装置,并对初步实验结果进行了分析。     

利用摩擦纳米发电机的流体能量俘获研究新进展

环境中的流体 (包括气体和液体) 动能是十分丰富且重要的清洁能源之一, 流体能量可通过不同的能量俘获技术 (电磁发电技术、压电能量俘获技术) 被转化为电能并供人们使用. 自2012年王中林研究团队发明摩擦纳米发电机 (triboelectric nanogenerator, TENG) 以来, TENG已成为了最重要的能量, 俘获技术之一, 并应用于流体能量俘获研究中. 论文综述了当前用于流体能量俘获的摩擦纳米发电机 (fluidic energy harvesting TENG, FEH-TENG) 的研究现状. 介绍了 FEH-TENG 中摩擦电材料之间的电荷转移原理以及基本的工作模式. 在气流动能俘获方面, 流致振动 (如涡激振动、驰振、颤振和尾流驰振等)是一种有效的将流体动力转化为机械能的物理机制, 基于该机制, 总结了FEH-TENG在风能和流致振动能量俘获中的研究进展以及各类能量俘获结构. 液体动能俘获方面总结了 FEH-TENG 在波浪和雨滴能量俘获中的研究进展. 介绍了基于 FEH-TENG的混合能量俘获系统和摩擦电材料优化在提升FEH-TENG流体能量俘获效率方面的研究. 接着介绍了FEH-TENG在不同领域中的应用. 最后讨论了目前 FEH-TENG 在流体能量俘获中存在的问题并提出了一些展望. 论文工作有助于推动FEH-TENG在流体能量俘获领域的发展以及促进相关研究人员对该领域的认识.      

简谐激励下的双稳态振动能量收集器动力学分析

振动能量收集技术解决了移动电子系统对于电池的依赖。本文设计了一种基于水平摆的双稳态振动能量收集器,建立了其力学模型和动力学方程,借助雅可比矩阵获得了其稳定性条件,使用数值仿真的方法研究了系统响应特性随谐波激励频率与幅值的变化规律。研究发现:双稳态系统在低激励频率下较小的激励幅值也能产生大幅运动;而当频率越高,产生大幅运动所需要的激励幅值也越高;并且当激励频率确定时随着激励幅值的进一步增大,大幅运动的频带变宽。为双稳态振动能量收集器的研究提供理论基础。     

质量比对D形截面柱体流致振动的影响

利用涡激振动进行海流能收集的VIVACE装置是新能源领域的研究热点.应用FLUENT软件采用k-ωSST湍流模型和Newmark-β法,通过数值模拟探究了四个质量比(2, 5, 7和10)在迎流角90°下D形截面柱体的流致振动响应,系统分析了D形截面柱体在横流向上的振动幅值、频率、平衡位置偏移量、尾涡脱落模式以及能量转化效率.所模拟的雷诺数范围为288～2880,对应的约化速度为2～20.结果表明,质量比对D形截面柱体流致振动的影响明显,质量比会改变D形截面柱体流致振动的响应分支.质量比越大, D形截面柱体进入驰振对应的约化速度越低;质量比增大, D形截面柱体平衡位置偏移量相对减小.随着约化速度的增大, D形截面柱体出现了涡激振动、涡激振动-驰振及完全驰振等响应分支.在所模拟的范围内, D形截面柱体高能量转化效率出现在涡激振动分支,而不是在驰振分支;在质量比为10且约化速度为4.5时,一级能量转化效率达到最大值44%.相关研究可为VIVACE装置的振子选型提供参考.     

针对波浪能收集的多模态振动能量收集器

波浪能源作为一种可持续的能源一直备受关注,但是由于波浪能的低带宽特性和多方向特性,使得波浪能的收集非常困难.为了在多个方向上实现宽带波浪能的收集并提高发电效率,本文提出一种使用十字梁结构的多模态振动能量收集器,并与基于液态金属的摩擦电装置相结合,使得装置具有多峰特性和高发电效率,从而实现了多个方向上宽频振动能量的有效收...     

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.      

海底悬跨管线涡激振动实验方法探讨

随着我国海洋石油开采业的发展,海底悬跨管线涡激振动的研究越来越受到重视。本文总结了海底悬跨管线涡激振动的实验研究与进展,对海底悬跨管线的涡激振动实验方法、测试技术、分析方法以及实验中可能存在的难点问题进行了详细讨论和分析;给出了波流水槽内稳定流、波浪以及波流联合作用等条件下海底悬跨管线的涡激振动实验设计原则和方法,进行了海底悬跨管线的涡激振动实验设计,实验主要关注于涡激共振由一阶共振向二阶共振过渡的模态过渡特征以及过渡范围内管线的振动特征,目前实验已在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的波流水槽中完成;最后,提出了相关的研究建议。     

柱体流激振动能量俘获理论与技术研究若干进展

潮流能分布广泛,且储量巨大,具备巨大的规模化开发利用价值.流激振动是一种常见的流固耦合现象,通过柱体流激振动能够在流速较低时实现有效的能量转换,基于柱体流激振动的能量俘获技术在未来具备广阔的工程应用前景.近年来,针对柱体结构流激振动特性和能量俘获性能,出现了大量的实验和数值仿真研究工作.文章全面阐述了多种截面形式的单个柱体、柱群结构流激振动能量俘获理论与技术方面的研究进展:对于单个圆柱流激振动能量俘获,目前已基本揭示了被动湍流控制器参数、系统阻尼、雷诺数和边界条件等因素对能量俘获性能的影响规律,基本完成了理论和技术积累;对于非圆截面柱体流激振动能量俘获,已初步明确特定来流攻角、系统质量比、系统阻尼、系统刚度和雷诺数条件下三角形、四边形、多边形与异形等多种截面形式柱体的流激振动作用机理和能量俘获能力;对于柱群的流激振动能量俘获,各柱体振子之间存在流场干涉,需要合理设计柱体排布形式、柱体间距和系统阻尼等参数,实现流体能量俘获最大化.通过综述国内外流激振动能量俘获理论和技术方面的研究进展,对今后该问题的研究进行了力所能及的展望,期望促进流激振动能量俘获理论的发展和流激振动能量转换装置的工程应...     

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.     

海洋柔性结构涡激振动的流固耦合机理和响应

对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述,尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征,包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等,对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望.     

近壁面柱体涡激振动的迟滞效应

柱体涡激振动是典型的流固耦合问题,其响应规律标识码在升速流动和远离壁面条件下获得的. 而自然环境流动通常不断经历升速和降速过程,近壁面柱体的涡激振动可呈现与远离标识码体不同的响应特征. 本研究结合大型波流水槽,设计了具有微结构阻尼的柱体涡激振动装置. 基于量纲分析,开展系列水槽标识码验,通过同步测量柱体涡激振动位移时程和绕流流场变化,研究了升降流速作用下柱体涡激振动触发和停振的临界速度(即上临标识码临界速度)变化规律,探究了近壁面柱体涡激振动迟滞效应. 采用自下向上激光扫射的 PIV 流场测量系统,对比分析了固定柱体标识码振动柱体的绕流特征. 实验观测表明,近壁面柱体涡激振动触发的临界速度呈现随壁面间距比减小而逐渐减小的变化趋势;但标识码速条件下的涡激振动停振所对应的下临界速度却明显小于升速时的涡激振动触发所对应的上临界速度. 采用上临界与下临界约标识码差值可定量表征涡激振动迟滞程度,研究发现该值随着柱体间距比减小呈线性增大趋势. 涡激振动迟滞现象通常伴随振幅阶跃标识码阶跃值则随着间距比减小而非线性减小.      

海洋柔性结构涡激振动的流固耦合机理和响应

对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述,尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征,包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等,对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望.     

高阻尼比低质量比圆柱涡激振动试验研究

针对圆柱的涡激振动问题,设计开发了高性能循环水槽与超声位移传感器,研究了高阻尼比、低质量比条件下,弹性支撑的刚性圆柱的涡激振动变化规律。结果表明:(1)高阻尼比条件下,振幅主要受独立参数阻尼比、质量比的影响;低质量比条件下,振动频率随流速增大而增大,"锁定区间"较高质量比范围扩大。(2)高阻尼比、低质量比条件下,阻尼的增大会导致振幅减小且"锁定区间"变窄;但振动频率在"锁定区间"内变化趋势一致。(3)高阻尼比、低质量比有利于涡激振动的能量转化,但阻尼不可过大,否则振幅与"锁定区间"均变小,影响电能转化。