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.      

深海采矿系统中悬臂式立管涡激振动分析

不同于传统的海洋立管, 深海采矿系统中的垂直提升管道可以被视为一个底部无约束的柔性悬臂式立管, 工作过程中同样面临涡激振动和柔性变形问题. 本文采用一种无网格离散涡方法和有限元耦合的准三维时域求解数值模型, 系统性地研究了不同流速下悬臂式立管的涡激振动问题. 结果表明: 悬臂式立管的横向振动模态阶数随折合速度增加而增大, 在一定折合速度范围内主导振动模态保持不变; 当主导模态转变时, 对应的横向振幅会发生突降, 但是当新的高阶模态被激发后, 立管振幅随来流速度增加而再次逐渐增大; 在相同的振动模态下, 立管底部位移均方根值随折合速度线性增加, 主导振动频率在模态转变时会出现跳跃现象; 特别地, 本文讨论了三阶主导模态下悬臂式立管的振动响应, 无约束的立管底部呈现出较大的振动能量, 且振幅的驻波特征随折合速度增加而逐渐增强; 本文比较了两端铰支立管与悬臂式立管的涡激振动响应特征, 两者在振幅和主导振动频率两方面均表现出了相同的变化趋势.      

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.     

正弦振荡来流下柔性立管涡激振动发展过程

在风浪流的作用下,海洋浮式结构物将带动悬链线立管在水中作周期性往复运动,从而在立管运动方向上产生相对振荡来流,这种振荡来流将激励立管悬垂段发生“间歇性” 的涡激振动. 在海洋工程水池中对一个4m 长的立管微段进行模型试验研究,以探索相对振荡来流作用下立管涡激振动产生的机理及其发展的物理过程. 试验通过振荡装置带动模型作正弦运动来模拟不同最大约化速度U_Rmax、不同KC（Keulegan-Carpenternumber）的相对振荡来流,利用光纤应变片测量立管涡激振动响应. 结合模态分析方法处理试验数据得到位移响应时历,继而提出相对振荡来流下柔性立管涡激振动发展的3 个阶段：建立阶段、锁定阶段以及衰减阶段. 并进一步总结了最大约化速度U_Rmax,KC 对涡激振动发展过程的影响规律. 最终获得不同最大约化速度U_Rmax下,涡激振动各发展阶段随KC 所占时间分布比例图.     

剪切流场中含内流立管横向涡激振动特性

立管是海洋工程中输送油气或其他矿产资源的必备结构, 外部洋流引起的立管涡激振动影响着立管的疲劳寿命, 危害深海资源开发. 本文基于欧拉−伯努利梁方程, 结合半经验时域水动力模型, 建立剪切流与内流耦合作用下海洋立管涡激振动预报模型, 运用有限元方法和Newmark-β逐步积分法求解方程, 首先将数值模拟结果与实验数据进行对比, 验证模型正确性. 然后, 运用此模型, 对剪切流作用下含内流的顶张立管在不同内流速度和密度下的横向涡激振动响应特性进行研究, 主要分析了立管的横向振动模态、振动频率以及均方根位移等涡激振动参数随内流速度和密度等参数的变化规律. 结果表明, 在剪切流场中, 含内流海洋立管在横向上表现出多模态多频率的涡激振动;立管横向振动的最大均方根位移随内流速度和密度的增大而增大, 特别是当内流速度较大时, 横向最大均方根位移增大明显;立管横向振动的主导频率随内流速度和密度的增大而减小, 并且内流密度的增大同样会引起模态转换和频率转换.

     

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.     

平台运动对柔性立管涡激振动影响的实验研究

基于自循环实验水槽开展了存在平台纵荡和横荡运动时的悬链线型柔性立管涡激振动响应测试,模型立管的长径比为125,测试的平均约化速度范围为4.40～39.33.利用激光位移传感器和高速摄像机分别监测了平台运动和立管振动位移,从响应频率、振幅和振动形态等方面分析了平台运动对立管振动的影响.根据立管振动的主导频率与平台运动的主导频率是否相同,区分了强耦联和弱耦联现象,定义了强耦联的立管长度,其在立管振动的模态过渡组次相对较短.立管振动与平台运动存在两个方向均耦联、仅单一方向耦联和不耦联3种情形.其中,立管平面外振动受平台运动的影响较平面内振动小.以立管瞬时形态的波腹个数变化量化了模态竞争和平台运动对振动形态的影响.通过对比过滤平台固有频率前后的立管振幅、振形与主导频率的时空分布,用强耦合的时间权重和空间长度量化了平台对立管振动耦合的影响,发现高约化速度时,平台运动抑制了立管空间的频率竞争,也抑制了立管平面内与平面外振动的耦合响应.     

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。     

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。     

深水隔水管-水下井口耦合系统双向涡激振动特性

深水隔水管-水下井口系统极易受外部海流影响产生涡激振动(VIV),其VIV分析通常将底端水下井口简化为固支约束.考虑水下井口下部非线性管-土耦合建立深水隔水管-水下井口耦合系统顺流(IL)及横流(CF)向VIV三维分析模型.基于胡克定律将管-土相互作用产生的时变非线性土壤抗力转化为时变土壤等效刚度并与系统结构刚度叠加.采用有限单元法进行分析模型离散,采用Newmark-β法与4阶龙格库塔法进行VIV数值求解.随后分别研究了管-土耦合作用及环境因素如海流流速、土壤硬度等对深水隔水管-水下井口系统CF及IL方向VIV特性的影响.结果表明,考虑管-土耦合的深水隔水管-水下井口系统约束弱化,系统整体刚度减小,固有频率降低,深水隔水管-水下井口系统CF及IL方向的均方根(RMS)位移及振幅增大,振动频率减小.深水隔水管-水下井口系统VIV对土壤硬度的敏感度较低,原因是系统结构刚度与土壤初始附加的等效刚度较大,而土壤硬度变化额外附加的土壤等效刚度在系统总刚度中的占比较低.     

低雷诺数下弹性圆柱体涡激振动及影响参数分析

利用Fluent软件数值求解不可压缩粘性流体的N-S方程,研究均匀来流Re=200时弹性圆柱体的涡激振动.圆柱体运动简化为质量-弹簧-阻尼系统,将Newmark-β方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动方程,柱体与流体间的非线性耦合作用通过动网格技术实现.详细分析了涡激力系数、柱体位移特征值和尾流涡结构随频率比的变化关系,获得"相位开关"、"拍"等现象.考虑流向振动对横向振动影响时,圆柱体最大横向振幅为0.65倍直径.当固定频率比,而质量比或折合阻尼增大时,圆柱体流向与横向振动均呈非线性衰减趋势,但增大质量比对流向平均位移的偏离起到更好的控制效果.     

带整流罩隔水管流场特性的大涡模拟研究

为了深入揭示整流罩抑制涡激振动的机理,采用CFD软件FLUENT,结合大涡模拟方法,分别对附加整流罩前后隔水管模型的绕流流场进行模拟,将附加整流罩前后隔水管周围的流场特性、升力系数、阻力系数及其频谱特性等进行对比分析.结果表明,整流罩能有效抑制隔水管尾流区的漩涡脱落,隔水管背部的压力升高,升力系数和阻力系数显著降低,从而抑制了隔水管的涡激振动.     

VIV suppression of a two-degree-of-freedom circular cylinder and drag reduction of a fixed circular cylinder by the use of helical grooves

Experimental investigations have been carried out to examine the effects of triple-starting helical grooves on the drag of fixed circular cylinders and the vortex-induced vibration of elastically supported cylinders. For the elastically supported cylinder, the Reynolds number varied from 1.3×10⁴ to 4.6×10⁴, whilst for the fixed cylinder from 3.1×10⁴ to 3.75×10⁵. A comparative approach which allows direct comparisons of the results was adopted where two cylinders of identical dimensions and physical properties with or without helical surface grooves were tested in exactly same experimental set-ups. In the elastically supported cylinder tests, the cylinders were attached to a vertically cantilevered supporting rod and towed in a towing tank. Both the in-line and cross-flow vibrations were permitted. In the fixed cylinder tests, the cylinders were supported on rigid vertical struts and towed horizontally in the same towing tank. It is found that for the case investigated the helical grooves were effective in suppressing the vortex-induced cross-flow vibration amplitudes with the peak amplitude reduced by 64%. Drag reductions of up to 25% were also achieved in the sub-critical Reynolds number range tested in the study for the fixed cylinders.     

Drag amplification of long flexible riser models undergoing multi-mode VIV in uniform currents

Measurement data of long flexible riser models are used to study the drag amplification due to multi-mode vortex induced vibration (VIV). The riser model was towed in a towing tank, and vibration along its length was measured indirectly at a set of discrete points using accelerometers, along with the total drag and lift forces on the model. These data were used to fit expressions for the drag amplification taking into account the spatial variation of the vibration amplitude along the riser length. The results were compared with the existing empirical expression used in the VIV analysis tool SHEAR7 as well as other test data. It was found that the expression in SHEAR7 agrees well with the test data. However, for larger vibration amplitudes, it appears to under-predict the drag amplification.     

基于稳态激励共振试验的人行桥全模态参数识别

识别包括模态质量在内的结构真实全模态参数是人行桥人致振动舒适度评价和减振设计的关键工作.提出一种基于稳态激励共振动力试验的人行桥全模态参数识别方法,该方法首先利用稳态激励共振动力试验,得到稳态激振下较大振幅的稳态振动;然后停止激励,从结构自由振动响应中识别结构频率、阻尼比和振型;最后利用稳态振幅以及识别的频率、阻尼比和振型,识别结构的模态质量.该方法仅需要一次激振试验就可以实现包括模态质量在内的人行桥全模态参数识别.通过仿真分析,研究了该方法的可行性以及激振频率偏离对模态参数识别的影响.采用该方法识别了一座大跨人行曲线斜拉桥1阶侧弯模态的全模态参数.研究结果表明,该方法能较可靠识别结构特定模态的频率、阻尼比和模态质量.     

π型组合桥面斜拉桥涡振性能及气动优化措施研究

π型组合桥面主梁断面是目前斜拉桥常用的断面形式之一,然而π型开口断面为典型钝体气动外形,易发生气流分离与交替性的旋涡脱落,引发涡激振动问题,因此需要对其断面形式进行优化,以达到减振、抑振的效果。本文通过某主梁宽高比为7.9的π型组合桥面斜拉桥节段模型风洞试验,研究了栏杆形式的改变、稳定板、倒L型裙板等措施对主梁涡振性能的影响。研究结果表明,部分封闭检修道栏杆及斜拉索防护栏杆可不同程度降低竖向涡振幅值,但改变斜拉索防护栏杆的构造形式会增大主梁竖向涡振幅值;增加梁底稳定板长度或道数,减振效果更明显;倒L型裙板能降低主梁竖向涡振幅值,但对扭转涡振的减振效果不佳;倒L型裙板与稳定板的组合措施可进一步降低主梁竖向涡振幅值,但不能有效减小扭转涡振幅值;倒L型裙板与封闭斜拉索防护栏杆上缘的组合措施能有效抑制主梁涡振。研究成果可为类似主梁断面的涡振减振设计提供参考。     

Coupled delayed-detached-eddy simulation and structural vibration of a self-oscillating cylinder due to vortex-shedding

The flow past a rigid-fixed cylinder and a self-oscillating cylinder is simulated at Re=5000. The finite-volume based CFD package OpenFOAM is used for flow computations for a rigid-fixed cylinder. Extensive mesh convergence and time-step studies are conducted for a cylinder span of 2D (twice the diameter). Spanwise-pressure correlations and spectral calculations are conducted using longer cylinder span lengths: 4D, 8D and 16D. As the cylinder span size increases, better spanwise correlations are obtained. For a self-oscillating cylinder, the numerical approach that tightly couples DDES and FEA based on a fixed point iteration is used to predict the amplitude response and drag in a lock-in condition. The results of the rigid-fixed and self-oscillating cylinder computations compare favorably with experimental data.     

圆柱固结刚性分离盘结构振动风洞实验研究

分离盘作为常用的流动控制装置之一,对于固定圆柱旋涡脱落具有很好的抑制作用。但是,对于结构振动,固结刚性分离盘是否有类似的抑制作用及控制机制尚待深入研究。本文通过风洞实验,利用非接触式激光位移传感器,研究圆柱固结短分离盘后在“从静止开始”和“连续增加风速”这两种不同的初始条件下的结构响应。结果表明,附加分离盘后,与典型的涡激振动(Vortex-induced vibration, VIV)类似,结构的响应虽然仍然限定在一段风速范围内,但是其幅值比单圆柱VIV幅值大得多。当分离盘长度为0.25D(D为圆柱直径)时,结构响应与圆柱VIV类似,分为两个分支。当分离盘长度为0.4D、0.5D时,结构响应存在明显的迟滞现象,同时,响应会在达到最大振动幅值后突然消失。连续增加风速时,振动随约化速度增加而增强。与典型的涡激振动类似,可以发现明显的频率锁定现象,与典型驰振特性不同。通过FFT分析尾流速度频谱,可以发现,附加分离盘后,频谱中出现大量的高阶谐频成分,它们的出现可能与旋涡脱落模式有关。     

DSA250型受电弓振动特性仿真与测试

动车组通过受电弓从接触网上获取电能, 良好的弓网接触是列车受流的重要保障. 随着列车速度的提高, 弓网动态特性问题日益突出. 受电弓在高速或更高速运行时, 接触网不平顺、气动效应等高频激励, 将激发受电弓的高频弹性模态及富有高频成分的弓网相互作用力. 只考虑受电弓3个垂向自由度的三质量块模型不再适用于高频弓网动力学分析, 为进行更高速下的受电弓动力学参数设计和弓网受流质量评估, 需建立反映结构弹性模态的受电弓全柔模型. 文章提出基于模态实验的受电弓全柔模型的修正方法. 首先, 开展一款新型单滑板高速受电弓的模态实验, 获得260 Hz以内的两阶垂向耦合振动模态参数和6阶垂向弹性模态参数. 然后, 进行受电弓模态频率对材料参数的灵敏度分析, 研究得到弓头、上臂和下臂的弹性模量和密度及弓头弹簧刚度, 对受电弓的8阶垂向模态频率的影响显著, 确定了模型修正的参数. 最后, 利用粒子群优化算法, 获得与模态实验结果吻合度较高的修正全柔模型, 其与实验结果的误差仅为5.2%. 此外, 提出基于模态置信度的振型识别方法, 实现了迭代寻优过程中正确率为100%的模态自动识别.