拖缆涡激振动计算及分析

细小结构的涡激振动自从Von．Karman提出Karman涡激之后就引起了人们的重视。文中采用计算流体力学和有限元相结合的方法计算拖缆结构模型在水下工作时,由流体引起的对拖缆的涡激振动作用力,从而计算拖缆的涡激振动响应。     

基于模型试验的实尺度立管涡激振动响应预报方法研究

为了研究立管涡激振动模型试验与实尺度立管涡激振动响应之间的相互关系问题,文章从模型试验的相似理论出发,基于涡激振动预报方法的理论分析;通过对模型试验中按照相似理论换算得到的流速进行调整的方法,改变模型立管的涡激振动响应,并逼近实尺度立管的涡激振动响应.结果表明:通过调整试验流速,提高试验的雷诺数,可以使立管模型的涡激振动响应模态数、无量纲振幅RMS(A/D)响应与实尺寸立管很好地符合.针对不同的缩尺比模型,给出了立管模型试验流速与其模拟的真实流速之间的对应关系式.     

顶张力立管涡激振动抑振装置性能比较

为降低甚至消除漩涡脱落引起的顶张力立管振动响应从而提高其疲劳寿命,设计了五种型式的涡激振动抑振装置,并在中国海洋大学物理海洋实验室对装有抑振装置的模型立管进行了实验研究.得到了模型立管在几种不同流速下顺流向和横向涡激振动应变时程曲线,同时为了对比分析也测量了没有安装抑振装置的裸管的响应曲线.对比分析了三种外流流速下抑振装置对立管涡激振动响应的影响,结果表明各种抑振装置对立管顺流向和横向涡激振动幅值和频率都有不同程度的降低,但其影响和有效性各不相同.     

两自由度不同截面形式柱体涡激振动的CFD数值模拟

文章采用计算流体力学（CFD）方法,结合SST k-棕湍流模型,对低质量比柱体进行两自由度涡激振动数值模拟,得到了柱体升力、曳力系数的时程曲线,并观察了柱体进入锁振状态的幅值变化,研究了不同截面形式柱体在外流速处于0.1-1.0 m/s范围内的振动响应。将圆柱体在不同流速下两向振动的CFD数值模拟与实验数据进行比较,得到了较为满意的结果。通过分析不同截面柱体在不同外流速下的振动幅值发现,带有抑振装置的柱体截面形式能够有效地减小涡激振动,其中,板状截面柱体抑振效果较好。     

水下杆状结构三维振动数值模拟

本文研究柔性杆状在涡激-参激联合作用下的三维振动响应特性问题。基于Hamilton原理,建立了柔性杆的三维振动模型,考虑Morison力、涡激升力以及顶端变张力,对结构的涡激振动和参激-涡激联合振动进行数值模拟。针对振动方程,首先借助有限差分法和Runge-Kutta方法对方程进行数值求解,求得结构的三维振动响应,绘制了各自由度振动的时历曲线、相平面图、庞加莱截面图以及能量频谱,研究了参激-涡激联合振动情况下,杆件的非线性振动特性。     

参激振动对顺应式垂直通路立管涡激振动的影响

顺应式垂直通路立管(CVAR)是目前处于研究阶段的一种新型的立管类型,在海流作用下产生涡激振动,在平台垂荡运动作用下产生参数激励振动。为了研究参数激励的影响,本文引入尾流振子模型模拟漩涡脱落对立管的作用,同时考虑浮式平台升沉运动产生的参数激励,建立了CVAR参激-涡激联合振动方程,获取联合作用下的动力响应,并与纯涡激振动响应进行对比。结果表明,在相同的流速下CVAR中部涡激振动幅值最大,流速的增大会导致涡激振动的频率增大,发生高阶锁振,高阶锁振振动幅值比低阶锁振振动幅值小。考虑参数激励之后,较纯涡激振动而言,立管的振动幅值增大;当参激频率与涡激振动频率接近时,立管的振动幅值最大。     

拖缆涡激振动的试验研究

为了解圆柱型声纳阵拖缆在水下拖曳时，由于尾流中发放旋涡激起的涡激振动情况和有关规律，作者进行了试验研究分析。论文概述了试验模型设计、试验条件工况及测试分析系统，在理论分析的基础上，对涡激振动诸多因素（斯特劳赫尔数、雷诺数Ｒｅ、拖速、缆的倾角和导流方式）进行了专门分析，得到了它们之间相互影响的规律曲线和比较结果。这些试验数据和分析结果对进一步开展该类课题的研究，对声纳阵拖缆的设计，提供了技术依据。     

时间步长对低质量比圆柱涡激振动数值结果的影响

从圆柱涡激振动数值模拟结果的精度及可信度的角度出发,应用弱耦合算法分析时间步长选取对弹簧支撑低质量比圆柱涡激振动响应结果的影响.计算选取自激振动幅值分支的三个代表性流速,比较不同时间步长下响应结果.比较分析表明:在幅值响应的初始分支和下端分支段,存在最优的时间步长,使得计算效率最高,最接近实验现象;而在幅值响应的上端分支,数值结果要低于实验值,且相位角对求解时间步长非常敏感.     

波流联合作用下深海垂直杆件三维振动响应分析

本文研究了深海垂直杆件在波流联合作用下的波激-涡激-参激耦合振动特性.基于Hamilton原理,建立了垂直杆件的三维振动模型,考虑Morison力、涡激力和顶端变张力,对结构的波激-涡激振动和波激-参激-涡激联合振动进行数值模拟,求得杆件各点位移时历曲线,并针对时历曲线进行快速傅里叶变换得到能量频谱,从能量角度分析杆件振动特性.在此基础上,研究了振动幅值随流速、参激频率和参激幅值的变化规律.研究表明:在波流联合作用下,杆件振动出现非线性,轴向振动存在1/2和1/4亚频振动成分,拖曳力方向振动存在二倍波激频率成分;当涡泄频率接近杆件横向振动固有频率时,轴向振动和涡激振动振幅增加;存在参数激励时,杆件三个方向的振幅增大,振动对流速更加敏感;参激频率接近杆件固有频率时,轴向振幅和涡激振幅均增加,而当参激强度增加时,三个方向的振幅均增加,平衡位移不受影响.     

基于HHT方法的柔性立管涡激振动特性分析研究

本文针对试验中的柔性立管涡激振动响应特性问题,使用HHT方法进行分析。首先,将试验中获得的应变时历转化为位移时历,并进行EMD分解,分析确认分解结果的正确性。然后,根据分解结果,统计分析立管涡激振动模态数与流速的关系。之后,使用HHT方法分析立管涡激振动的频率响应特性,获得确认立管振动阶数的方法,在试验中发现“倍频”现象,并总结“倍频”现象分布的流速区间。最终,通过观察立管振动位移的时空分布,获得立管振动的阶数,发现了振型的不对称特性,并分析其导致模态混淆的原因,同时观察到立管振动模态的激励发展过程,并最终总结了不同流速下立管响应模态阶数及对应频率。     

海底多跨管道涡激振动疲劳简化分析

多跨管道由于其自振频率低且相邻模态频率临近,容易在低流速下产生多模态涡激振动.针对长期作业的海底多跨管道,考虑遭遇海流流速变化以及涡激振动响应本身的随机性,多模态响应采用单频响应的等效组合,利用 N-S曲线和Miner线性累积损伤准则进行悬跨涡激振动疲劳损伤简化预报,为深水悬跨管道初始设计提供参考.通过一输气多跨管道的疲劳累积损伤度的影响因素分析,结果表明:疲劳损伤对土壤刚度选取敏感;DNV RP-105规范中多模态响应缩减系数较振幅权重形式更保守;用Rayleigh分布描述涡激振动响应进程计算的疲劳损伤要高于恒幅稳态振动描述.     

基于计算流体动力学的海洋导管架平台钻井隔水导管涡激振动评估

为评估海洋导管架平台钻井隔水导管在涡激振动下的安全性,基于计算流体动力学（CFD）,数值模拟了隔水导管在海流作用下的涡流形态和频率,分析了涡激振动对隔水导管位移和应力的影响。结合海洋导管架上多导向孔约束的隔水导管工程边界条件,形成适用于海洋导管架平台钻井隔水导管涡激振动的工程分析方法。当绕隔水导管的海流对隔水导管产生周期性横向力,并以接近隔水导管的固有频率作用于隔水导管时,会导致涡激振动;由于导向孔的支撑作用,导向孔间的振动形式通常为驻波形式,按照1年、100年重现期的海况计算,涡激振动的风险较小;若隔水导管与导向孔存在间隙,流速的大小确定了隔水导管与导向孔是否会接触,从而影响隔水导管涡激振动的发生;与大流速情况相比,小流速更有可能引起隔水导管的涡激振动,但由于导向孔能够限制涡激振动能量的累加,因而保证了隔水导管的安全。     

图解法预报悬跨管道涡激振动响应

利用水动力经验模型,用简易的图解法预报不同功能载荷和边界条件下的深水悬跨管道涡激振动响应频率和振幅.分析内流流速、阻尼和管土耦合作用等因素对涡激振动响应及锁定范围的影响.指出对于低流速内流,特别是有效张力比较大的时候,内流流速对结构固有频率影响很小;管土耦合边界对悬跨振动响应的主要作用在于减小结构固有频率和提高阻尼,有利于减少疲劳累积损伤预报值.     

钢悬链线的涡激振动分析

文章介绍了立管在不同流剖面下的涡激振动实验,然后给出了简支钢悬链线的静态方程和基于能量平衡原理的涡激振动频域预报理论.之后提出把钢悬链的参数转化为顶部张紧钻井隔水管的参数的思想.通过预报顶部张紧钻井隔水管的涡激振动响应,得到钢悬链线的涡激振动响应.文中还研究了不同的顶部预张力和不同流剖面对钢悬链线的涡激振动响应影响.结果表明立管的固有频率和模态数的关系足线性的,并且立管的均方根位移和激励的模态数不仅与流速的大小和变化范围有关,还与顶部预张力有关.     

附属分离盘抑制圆柱涡激振动的数值模拟

基于动网格技术,编写UDF程序计算附属不同长度分离盘的圆柱双自由度涡激振动,并借助FLUENT软件模拟计算其周围流场。通过模拟计算不同长度附属分离盘的圆柱涡激振动,系统地对比分析其所受升阻力系数、振动响应、尾流涡形态、运动轨迹和频率特征等方面内容,并总结其一般规律。分析发现,添加合适长度的分离盘可以大大降低涡泄频率,有助于避开"锁定"区域,降低涡激振动的响应,同时还应该注意附属分离盘带来的多频和宽频振动特征。该数值模拟方法也为附属抑制装置的立管涡激振动数值模拟奠定了基础。     

来流角度对方柱流致振动的影响

方形结构由于存在几何棱角,在来流作用下会发生复杂的振动响应,是流致振动能量收集的理想结构。本文针对方柱流致振动开展数值模拟研究,分析不同来流角度下柱体的流致振动类型,揭示截面几何特征、来流角度对柱体振动响应、流体力及相位变化、尾流结构的影响。研究结果表明,来流角度是影响方柱振动响应和振动模式的重要因素,当来流角度为0°时,方柱会产生驰振响应,尾流结构发生斜向偏移且周期内漩涡脱落丰富,导致柱体呈低频高幅振动;来流角度在15°≤θ≤30°时,方柱产生涡激振动与驰振耦合的振动响应,来流角度为45°时,方柱发生涡激振动响应;从能量俘获角度,控制来流角度使方柱发生驰振响应,从而实现大范围流速下的海洋能量汲取。     

质量比和阻尼比对高阻尼涡激振动的影响

涡激振动水生能源是一种可在低流速条件下利用水中涡激振动现象从周围流场中提取水流动能的新兴可再生清洁能源技术,其能量转换装置在进行能量传递和转换过程中会对涡激振动系统引入较高的阻尼,使其不同于以往研究较多的低阻尼涡激振动系统。文章建立了一个单自由度涡激振动模型,模型采用受迫振动实验得到的流体力数据,通过迭代求解涡激振动能量转换装置的动力响应,进而计算系统转换功率。通过对质量比m*和阻尼比ζ等重要参数对涡激振动响应及能量转换效率影响的细致研究,揭示出:频率锁定的发生及较大能量转换效率的无量纲流速范围主要受质量比控制;最大能量转换效率主要受质量—阻尼参数m*ζ控制,并且存在一个最优值;出现最大能量转换效率的无量纲流速与m*ζ有关,在m*ζ0.2的范围内出现最大能量转换效率的无量纲流速随质量比和阻尼比的变化而变化,而在0.2m*ζ0.7的范围内与阻尼比无关,主要取决于质量比。     

低应力拖缆瞬态动力学分析与实验研究(英文)

文章进行了低应力拖缆瞬态动力学的数值分析与实验研究。在低应力拖缆的建模中,包括了几何,流体的非线性和弯曲刚度。在数值分析中,广义α时域积分法用于求解低应力拖缆的三维动力学方程。为了验证数值分析的结果,观察实际的物理现象,进行了拖曳实验。测量了低应力拖缆顶端处的张力,剪切力和拖曳过程的速度变化。稳态拖曳速度下张力和剪切力的波动及其 FFT 变换证明了涡激振动现象的存在。在瞬态过程中,对于稳态拖曳速度为 1.01,1.5 m/s情况,无论张力还是剪切力都存在一个明显过冲区域,但是这一现象在稳态速度为 0.55 m/s 时并不明显。定常系数法和变系数法被用于瞬态动力学的仿真分析,分析结果表明变系数法与实验结果具有较好的一致性。     

铠装拖缆橡胶保护套设计

某科考船海洋探测设备拖曳作业时，铠装拖缆出现较强的涡激振动，为保护铠装拖缆和缓解船体结构受迫振动，提出在铠装拖缆出缆限位支承位置加装铠装拖缆橡胶保护套的解决方案，通过涡激振动测试验证橡胶保护套的隔振效果，对橡胶保护套材料、型式和保护性能，探索一种保护效果佳、系固操作安全和便利的铠装拖缆橡胶保护套。     

基于AQWA的水下大尺度拖缆空间形位仿真分析

为充分发挥水下大尺度拖缆在应用过程中的声学性能,准确地对其深度进行调控,需预先知道其在水下拖曳状态下的空间形位。由此,对拖缆的力学模型进行分析,结合某水下大尺度拖缆的参数,基于有限元仿真软件AQWA对该拖缆进行4种典型航速的仿真分析,获得稳态和叠加四级海况动态环境下拖曳阵缆的空间形位分布、波高响应、下沉深度、拖曳张力和倾斜角等重要参数,为该拖缆的海上试验和应用提供参考。