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。      

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.      

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.     

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.      

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.     

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.      

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.     

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.      

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.     

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.     

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.     

并列双圆柱流致振动的不对称振动和对称性迟滞研究

对雷诺数Re = 100 间距比s/D = 2.5 和5.0 的并列双圆柱流致振动进行了数值模拟研究, 其中圆柱质量比m = 2.0, 折合流速U_r 在2.0~10.0 之间, 两圆柱仅能做横流向振动. 研究发现, 当间距比s/D = 2.5 时, 在折合流速4.4 < U_r< 4.8区间内, 两圆柱流致振动响应出现不对称振动现象, 在折合流速4.4 < U_r< 4.8 区间内, 两圆柱流致振动响应出现对称性迟滞现象; 而当间距比s/D = 2.5时, 圆柱流致振动响应与单圆柱涡激振动响应相似, 没有出现不对称振动和对称性迟滞现象. 在不对称振动区间内, 两圆柱的升、阻力参数也出现了不相等的情况. 此外, 当两圆柱不对称振动时, 圆柱间隙流稳定地偏斜向其中的一个圆柱; 相应地, 尾涡也出现了宽窄不等的模式. 窄尾流圆柱的振幅和升、阻力均较宽尾流圆柱的大. 通过对比不对称振动现象发生前后的尾涡模式, 对新现象的产生机制进行了阐述.      

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.      

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.     

Fluid-solid coupling and dynamic response of vortex-induced vibration of slender ocean cylinders

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.     

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.     

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.     

大柔性圆柱体两自由度涡激振动试验研究

基于模型试验研究了柔性圆柱体两自由度涡激振动问题, 研究了顺流向涡激振动和横向涡激振动的频率与振幅关系, 提出了考虑流固耦合的两自由度涡激振动非线性分析模型. 研究表明, 在不同的流速(雷诺数)范围, 柔性圆柱体顺流向涡激振动与横向涡激振动的频率比和幅值比是不同的; 在非锁定区, 圆柱体的顺流向振动频率与横向振动频率相同, 在锁定区, 圆柱体的顺流向振动频率是横向振动频率的两倍; 在非锁定区, 顺流向振幅与横向振幅比约为1, 而在锁定区, 顺流向振幅与横向振幅比约为1/3~2/3.      

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.