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。     

地震和波流作用下海底悬跨管线模型实验研究

利用水下地震-波流联合模拟实验系统研究了海底管线在波浪、水流和地震作用下的动态响应特征。实验中考虑了有无地震作用、悬跨长度、波浪高度、水深、水流速度以及是否满管状态等因素。通过DDP动态数据后处理软件对实验结果进行处理分析,得到海底悬跨管道的动态响应特性。实验结果表明:在浅海海域,悬跨管线的动态反应受波浪及水深变化的影响不明显,悬跨长度是影响管道动态响应的主要影响因素;悬跨管线在地震与波流共同作用下的反应与仅地震作用下的应变存在差别;在波浪力作用下,空管时管线的应变要小于满管时的情况。     

绒毛控制圆柱涡激振动的风洞试验研究

利用绒毛对圆柱涡激振动抑制进行了风洞试验研究。通过改变附属绒毛无因次长度L/D比(L为绒毛长度,D为圆柱外径),研究L/D分别为0.6、1.2和1.8的模型在约化速度2~40的范围内对弹性支撑大质量阻尼系数圆柱涡激振动的抑制作用。试验采用激光位移传感器采集圆柱的横向(Y)和顺流向(X)位移,并用烟线测流场以揭示流动控制机理。结果表明,三种无因次长度的绒毛对大质量阻尼系数圆柱的涡激振动都有显著的抑制作用,随着L/D的增加,圆柱Y向无因次位移及功率谱密度幅值减弱,多达73.5%的无因次位移被抑制;且随着L/D的增加,圆柱附属绒毛频率比远离原始圆柱频率比。绒毛改变了圆柱的边界层分离点位置、抑制了边界层的相互作用并改变尾涡结构,从而抑制振动。     

倾斜圆柱结构涡激振动研究进展

圆柱结构涡激振动现象在生活中十分常见,如海洋工程中的管道、土木工程中的高耸建筑、桥梁斜拉索,核工程中的热交换器等频繁受到涡激振动影响,诱发结构的疲劳损伤,甚至破坏失效.现阶段,人们对垂直来流作用下圆柱结构涡激振动机理已有较为全面的认识.然而,当圆柱倾斜置于流场中,结构后缘的尾流形态与垂直放置差异显著,结构与流体的耦合作用机理更为复杂.为简化倾斜圆柱涡激振动问题,提出了不相关原则,来流速度被分解为垂直圆柱结构轴向和平行圆柱结构轴向的两个速度分量,仅考虑垂直结构轴向速度分量的影响,忽略平行结构轴向速度分量的影响.近年来,针对倾斜圆柱涡激振动及不相关原则的适用性,出现了大量实验和数值模拟研究成果.为了深化对倾斜圆柱结构涡激振动相关机理的认知,本文全面阐述了倾斜圆柱结构涡激振动响应规律、尾迹流场模式和流体力特性等方面的研究进展,分析了不相关原则的适用范围,探讨了倾斜圆柱结构涡激振动抑制措施,并对今后该领域的研究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。     

基于流固耦合的锚索涡激振动抑制方法研究

悬浮隧道锚索的涡激振动会加剧锚索的疲劳破坏,进而影响悬浮隧道的使用寿命和安全.文章在海洋立管涡激振动抑制研究的基础上,考虑悬浮隧道锚索倾斜角度和来流方向的影响,采用流固耦合的数值方法,对整流罩方法和三控制杆方法的抑制效果进行了分析.结果表明,在顺来流方向,两种方法均具有良好的抑振效果;锚索有倾斜的情况下,三控制杆方法的效果会有所提升;但在来流方向改变时,整流罩方法具有较强的适应性.     

基于涡激振动的压电风能收集器研究进展

近年来,随着物联网、无线传感器网络和便携式医疗设备的迅速发展,如何为这些独立设备提供可靠、清洁和自给的能源成为其发展的关键.传统的化学电池不仅寿命有限,而且庞大的电池数量带来了高昂的维护成本,废弃后的电池还会给环境保护带来更大的负担.自然环境中风能分布广泛、储藏量大且无污染,是绿色可再生能源.将风能转换为电能是目前能源利用的重点.然而,涡轮风力发电机投资巨大、对风场要求高、占地面积大、维修困难,同时产生的噪声和生态问题日益突出.目前,如何利用新材料和简单结构实现低速风能的高效收集正在成为国内外研究的热点.基于涡激振动的微型风能收集器是目前较为有效的风能收集技术之一,有望实现分散分布的无线传感器自供电.文章从涡激振动能量收集器的工作原理、研究进展、效率提升方法等方面综述了涡激振动能量收集器的研究现状.着重讨论了钝体形态优化、非线性特性引入、多风向风能收集结构设计和混合风能收集器设计等增强方案对涡激振动风能收集器性能的影响,为高性能涡激振动能量收集器的设计提供参考.最后,对涡激振动风能收集器面临的关键问题与难点进行了分析和总结,并对今后的研究方向和未来的发展前景进行了展望.     

基于弯矩修正法的浅水区海底直铺管道允许悬跨长度计算

海底管道悬空问题是管道工程建设中经常遇到的重要问题,当管道的悬跨长度达到一定值时,管道较容易失稳,而悬空油气管道失稳破坏导致的后果往往非常严重,因此需要对悬空的海底管道进行定期的维护和处理,但由于海上作业难度大,针对悬空管道的治理成本非常高,因此可考虑对处于悬空但在安全允许悬空范围内的管道暂时不进行加固,此时就需要计算管道的允许悬跨长度,为管道的治理提供依据。由于我国油田大多建设在近海地区,因此在考虑管道的悬空问题时需考虑浅水区波浪的特点。本文考虑浅水区波浪的非线性影响,推导得到浅水区波浪场内任意一水质点的水平流速和竖向流速计算公式,并根据该公式和Morison方程,进一步建立了管道悬跨水动力载荷的表达式,最后基于弯矩修正法,提出浅水区平铺海底管道允许悬跨长度计算公式。根据工程实例,结合本文研究,计算得到该工程所在海区平铺管道允许悬跨长度。     

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.      

两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

目前细长柔性圆柱体涡激振动响应的研究方法主要包括实验方法、计算流体动力学方法以及半经验模型方法. 鉴于实验方法研究成本较高、计算流体动力学方法计算时间较长,本文基于尾流振子模型对线性剪切来流下两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性进行了半经验模型方法研究. 先建立了柔性圆柱体结构振子以及尾流振子之间的耦合模型,紧接着基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解. 对不同剪切参数下柔性圆柱体涡激振动响应的振动波长、振动频率、振动位移以及响应频率随时间的变化特性等参数进行了分析. 分析结果表明:圆柱体的涡激振动响应由驻波和行波混合组成. 当无量纲弯曲刚度较小时,在圆柱体两端附近,驻波占主导;而在圆柱体中间段附近,行波占主导. 当无量纲弯曲刚度较大时,在圆柱体整个长度区间上均为驻波占主导. 随着剪切参数的增大,振动位移以及振动波长均逐渐减小,而振动频率和频率带宽均逐渐增大.      

Experimental Investigation of Three-Dimensional Vortex Structures Downstream of Vortex Generators Over a Backward-Facing Step

An experimental investigation of vortex generators has been carried out in turbulent backward-facing step (BFS) flow. The Reynolds number, based on a freestream velocity U₀ = 10 m/s and a step height h = 30 mm, was Re_h = 2.0 × 10⁴. Low-profile wedge-type vortex generators (VGs) were implemented on the horizontal surface upstream of the step. High-resolution planar particle image velocimetry (2D-2C PIV) was used to measure the separated shear layer, recirculation region and reattachment area downstream of the BFS in a single field of view. Besides, time-resolved tomographic particle image velocimetry (TR-Tomo-PIV) was also employed to measure the flow flied of the turbulent shear layer downstream of the BFS within a three-dimensional volume of 50 × 50 × 10 mm³ at a sampling frequency of 1 kHz. The flow control result shows that time-averaged reattachment length downstream of the BFS is reduced by 29.1 % due to the application of the VGs. Meanwhile, the Reynolds shear stress downstream of the VGs is considerably increased. Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Dynamic Mode Decomposition (DMD) have been applied to the 3D velocity vector fields to analyze the complex vortex structures in the spatial and temporal approaches, respectively. A coherent bandwidth of Strouhal number 0.3 < St_h < 0.6 is found in the VG-induced vortices, and moreover, Λ-shaped three-dimensional vortex structures at St_h = 0.37 are revealed in the energy and dynamic approaches complementarily.     

湍流涡致振动频率特性

用数值模拟方法对固定圆柱湍流涡脱落频率与弹性圆柱湍流涡致振动频率特性进行了研究,湍流计算模型采用标准κ-ε模型,压力泊松方程提法基于非交错网格系统.研究结果表明:固定圆柱湍流绕流涡脱落频率基本不随雷诺数而变,对于同一固有频率弹性圆柱,涡振频率基本不随雷诺数而变;对于某一固定雷诺数流动涡振频率在一定范围内与系统固有频率有关.     

海沟内海底地震激发的表面波动

通过底面运动学边界条件引入底面运动影响,采用高阶Boussinesq方程计算了光滑海底变形引起的表面波动形态.对于线性问题,与线性势流波浪理论进行了比较,二者结果符合良好.运用高阶Boussinesq波浪模型,针对冲绳海沟的实际地形,模拟海沟内不同震级的海底地震激发的海啸,分析了不同强度地震引起的表面波扰动形态及其非线性和色散效应.     

Direct Numerical Simulation and Experimental Investigation on Suppression of Vortex Induced Vibrations of Circular Cylinders by Radial Water Jets

The present paper deals with suppression of vortex induced vibrations (VIV) by introducing radial water jets from circular openings in the wall of the oscillating cylinder. Overpressure within the water-filled cylinder propels water jets blowing out into the ambient flow as a means to alter the vortex shedding process. This flow will introduce a disturbance that is expected to yield reduced VIV amplitudes. Results are presented from experiments in a towing tank testing a spring-supported cylinder with two straight rows of radial water jets along the the cylinder, located at positions +120° and?120° on the cylinder circumference. A smooth cylinder with no openings is tested for comparison. Direct Numerical Simulations (DNS) have been performed using the Spectral/hp element code Nεκταr. Outflow through openings in the cylinder wall is modeled, and a parameter study is performed where number of jets as well as jet location on the cylinder circumference and jet flow rate are varied.     

Vibration of a Rigid Body Suspended by Taut Strings

Abstract

A solid body is suspended by equally spaced taut strings. The characteristic equations for small vibrations of the system are formulated exactly. Depending on the mass and moment of inertia parameters of the body, the fundamental frequency may be governed by either the symmetric mode or the antisymmetric mode.     

大型柔性结构振动主动控制的实验研究

本文采用压电陶瓷作为传感器和执行器,对二维柔性板的振动抑制进行了实验研究。指出了在实际系统中采用同位控制存在的问题,并提出了改进的方法,对二维柔性板的振动抑制实验。证实了同位控制的问题,验证了改进方法的有效性。     

气液两相管流水力瞬变的数值计算及实验研究

由气液两相管流的基本方程出发,通过引入矢通量分裂,对传统的特征线差分做了较大的改进,形成了基于矢通量分裂的特征线差分解法。该法首先将控制方程组的特征值分解成正、负两部分,进而将控制方程中的矢通量雅可比矩阵分裂成两个亚矢量矩阵,对其按各自的迎风格式差分,从而建立了稳定的差分求解格式。该计算法适合于计算声速变化较大且计及液流速度的气液管流的瞬变。计算求解得到的各种不同初始空隙比的压力变化曲线、声速曲线、波速变化曲线、空隙比变化曲线及气体释放影响曲线,通过与不同初始空隙比时气液管流水力瞬变的实验结果对比分析,结果表明两者吻合较好,说明本文方法对于低空隙比的气液两相管流具有较普遍的适用性。