临界雷诺数下圆柱涡激振动抑制措施研究

拖缆、海洋立管等在流体力的作用下,会发生涡激振动,容易使这类海洋结构物受到破坏。本文将这一力学现象简化为绕二维圆柱流动问题,通过离散求解二维非定常平均雷诺应力方程(URANS),分析临界雷诺数时(8.21×104Re1.54×106)的流动特性,从而得到绕圆柱流动的涡脱落过程、涡激力与雷诺数之间的关系。本文计算结果和已发表的结果有良好的一致性。在此基础上,本文提出了一种在圆柱体后方安装分隔板来抑制涡激力的简单措施,并通过数值方法验证其有效性。     

一种改进的离散涡方法及其在涡激运动中的应用

海洋平台的涡激运动(VIM)会使与之连接的锚链和立管系统发生严重的疲劳破坏,缩短其疲劳寿命,是海洋工程领域的研究热点。离散涡模型(DVM)具有不受网格限制、在涡量集中区分辨率高、可用大时间步长模拟高雷诺数流场的特点。本文应用满足流函数方程的离散涡模型模拟了高雷诺数下二维圆柱绕流和涡激振动(VIV)问题,有效还原了涡激振动中的锁定现象,验证了模型的准确性。同时提出该模型对多体结构涡激运动求解的处理方式。利用该方法模拟了二维单柱Spar平台以及多柱半潜平台模型的涡激运动,通过对平台受力曲线、横荡与纵荡位移以及频率响应的分析,得出了平台涡激运动的普遍规律,为Spar和半潜平台的结构设计提供了参考。     

两自由度运动圆柱绕流的离散涡方法模拟

应用离散涡数值方法(Discrete Vortex Method,DVM)对弹性支承的二维圆柱绕流的涡激振动(VIV)问题进行数值模拟,研究单自由度横向运动系统、两自由度系统横向和流向耦合运动这两种模型的计算结果,得到了不同质量比、不同折合速度下的尾涡形状、受力系数和圆柱响应曲线,并分别提取了单自由度和两自由度两种模型所得到的横向振幅进行对比.总结出受质量比和自由度数影响的圆柱响应的变化规律,证实了锁定lock-in现象的发生过程.通过与实验结果的对比,验证了计算结果较为合理和可靠,说明离散涡方法是研究涡激振动问题的有效手段,并且它能够适应高雷诺数下的计算,并且认为圆柱的流向运动对涡激振动起着促进作用,在数值模拟中是应当予以重视的.计算过程采用FORTRAN语言编程实现.     

关于二维平面圆柱涡激振动的数值模拟

利用有限元软件Adina建立平面二维圆柱绕流的数值模型,模拟低雷诺数条件下流体与圆柱间的涡激振动。随着流速加大,圆柱振动经历非锁定一锁定一脱离锁定的过程,由于锁定形态下圆柱振动与尾涡脱落引起的流体力形成共振,使圆柱的振幅增大。仅考虑圆柱顺流向振动时,横流向振幅略有增加;同时考虑圆柱在平面内的旋转和顺流向振动时,横流向振幅显著增加、锁定区间加宽,且质量比越低变化就越明显。     

单双圆柱涡激振动数值模拟研究

基于CFD方法,对质量比为7的单圆柱和并列双圆柱的涡激振动进行数值模拟研究,对单圆柱涡激振动的研究表明:其锁定区为4.8U_R7.6,在锁定区内旋涡发放频率被结构的固有频率锁定,位移与升力的相位差为零,圆柱的无量纲振幅急剧增大。在锁定区边缘,由于涡脱频率不能完全被结构的固有频率锁定,出现"拍振"现象。对并列双圆柱涡激振动的研究表明:流场充分发展达到稳定的时间随间距比的增大而增加,在3.0≤T~*≤4.0时,两圆柱的振动反相同步,在4.0T~*≤5.0时,两圆柱的振动不同步,T~*≈4为两圆柱振动是否同步的临界间距比。     

圆柱涡激振动Ⅰ：实验数据

在低速风洞中观察了弹簧支撑圆柱的涡激响应。记录了圆柱的垂向位移和近尾流区域上剪切层的速度脉动。实验被用来深入了解各控制变量对涡发放和涡激振动的影响。其中包括均匀来流、各向同性的湍流和机械阻尼变化以及圆柱表面人为的固定分离点和不同初始条件下对圆柱振动的影响。除观察了经典的同步现象外，对“交替同步”（alter-native synchronization)的现象也作了观察和记录。本文详细介绍了一些新的数据。由解析模型得到的结果在姐妹篇中作介绍。     

控制杆对柔性圆柱涡激振动的抑制效果研究

涡激振动会造成海洋柔性柱状构件疲劳损伤,合理的抑制装置能够有效延长结构的使用寿命。控制杆是常见的涡激振动抑制装置,高雷诺数条件下,多根控制杆的排布方式对涡激振动抑制效果的影响有待进一步研究。文中通过设计室内模型实验,观测了高雷诺数条件下控制杆对柔性圆柱涡激振动抑制效果。圆柱模型的长径比为350,质量比为1.9,最高雷诺数可达16 000。研究结果表明:控制杆对柔性圆柱的涡激振动抑制效果显著,四根控制杆的抑制效果优于三根控制杆。     

二维弹性平板绕流锁定发生机理研究

本文采用双向流固耦合来研究一端固定二维平板涡激振动特性,通过动网格技术来实现流场和结构之间力和位移的相互传递。对不同雷诺数下平板绕流涡分离进行计算,成功捕捉到了锁定现象,并对其发生机理进行研究。计算结果表明,当涡脱落频率接近结构固有频率、结构表面压力分布与结构模态一致、尾涡强度达到一定水平,即可产生锁定现象。     

二维弹性平板绕流锁定发生机理研究

本文采用双向流固耦合来研究一端固定二维平板涡激振动特性,通过动网格技术来实现流场和结构之间力和位移的相互传递。对不同雷诺数下平板绕流涡分离进行计算,成功捕捉到了锁定现象,并对其发生机理进行研究。计算结果表明,当涡脱落频率接近结构固有频率、结构表面压力分布与结构模态一致、尾涡强度达到一定水平,即可产生锁定现象。     

基于单向求解、双向流固耦合的悬臂平板绕流涡激振动特性对比研究

本文采用双向流固耦合研究一端固定的二维平板(展向无限长)涡激振动特性,通过流场和结构之间力和位移的相互传递来实现双向耦合。同时,对不同雷诺数下的平板绕流涡激振动进行了计算,并与单向求解算法进行了对比。计算结果表明,当涡脱落频率接近结构固有频率时,将出现频率锁定现象,同时结构将产生极大的位移响应。在锁定雷诺数区域中,双向流固耦合结构位移响应明显小于单向求解算法,而在其他非锁定区间,两种算法差别较小。     

考虑涡泄模式的低质量比圆柱涡激运动数值模拟

本文与经典实验进行对比,对二维圆柱在不同来流速度下的涡激运动进行研究。将运动系统简化为质量(m)-弹簧(k)-阻尼(ζ)系统,分析浮式圆柱运动的控制方程并通过4阶Runge-Kutta法求解运动微分方程,借助UDF编程嵌入到Fluent求解器中进行求解,结合动网格技术实现流固耦合,对比Jauvtis和Williamson的经典实验以验证数值模拟的可靠性,再现了SS,2S,2T和2P的涡泄模式。虽得到了与Jauvtis和Williamson物理模型实验相近的一些典型结果,没有做更进一步的研究,但通过实验数据与数值模拟的对比,能够区别研究相同质量比下其他不同参数对涡激运动特性的影响。对m*=1的浮式圆柱与低质量比圆柱m*=2.6进行涡激运动数值模拟研究对比,发现不同约化速度下对运动频率、涡泄模型等涡激运动特性均有不同程度的影响。     

基于全相似的串联双立管大雷诺数涡激振动研究

为了解串联双立管的涡激振动情况,基于完全动力相似,采用ANSYS/CFX针对大雷诺数串联双立管的涡激升力和脉动拖曳力以及圆柱绕流和流固耦合,基于物理模型分析串联双立管在不同雷诺数、不同间距下双立管的受力情况,结果表明,当两立管间距较大,采取圆柱绕流的方法代替流固耦合来模拟立管受力时,结果可信并偏安全。     

考虑涡泄模式的低质量比圆柱涡激运动数值模拟

本文与经典实验进行对比,对二维圆柱在不同来流速度下的涡激运动进行研究。将运动系统简化为质量(m)-弹簧(k)-阻尼(ζ)系统,分析浮式圆柱运动的控制方程并通过4阶Runge-Kutta法求解运动微分方程,借助UDF编程嵌入到Fluent求解器中进行求解,结合动网格技术实现流固耦合,对比Jauvtis和Williamson的经典实验以验证数值模拟的可靠性,再现了SS,2S,2T和2P的涡泄模式。虽得到了与Jauvtis和Williamson物理模型实验相近的一些典型结果,没有做更进一-步的研究,但通过实验数据与数值模拟的对比,能够区别研究相同质量比下其他不同参数对涡激运动特性的影响。对m^*=1的浮式圆柱与低质量比圆柱m^*-2.6进行涡激运动数值模拟研究对比,发现不同约化速度下对运动频率、涡泄模型等涡激运动特性均有不同程度的影响。     

基于DES模型的变截面圆柱绕流数值模拟

针对海洋结构物"卡门涡街"现象抑制或加强的不同用途,基于CFD方法,采用分离涡(DES)模型,对均匀来流下低雷诺数单圆柱绕流进行二维模拟,验证DES方法在低雷诺数时圆柱绕流模拟的可行性,开展低雷诺数下3种变截面圆柱绕流二维数值模拟研究,分别取特征长度D=0.07m,0.09m,0.12m,分析相应的升阻力系数、压力云图、涡量图等,得到不同流体参数和涡脱落形态变化规律。比较得出在二维模型下,当圆柱横截面特征长度改变时,"卡门涡街"现象会发生一定的加强或减弱,并从抑制或利用两个方面给出相应建议。     

刚性圆柱结构顺流向涡激振动特性分析

文章研究了刚性支承圆柱的顺流向涡激振动特性,在第二激励区域,运用van der Pol方程描述漩涡脱落的尾迹特性,采用尾流振子模型计算圆柱结构的响应,讨论和分析了质量-阻尼参数、质量率和结构阻尼对顺流向涡激振动的影响机理。     

海洋立管涡激振动抑制装置模型试验研究

本文提出三种不同的涡激振动抑制装置设计方案：扰流纤维抑制装置、反向耦合单组双螺旋叶片式抑制装置以及反向耦合双组双螺旋叶片式抑制装置,分别对其进行试验研究,对比分析各模型的振动特性和抑制效果。实验结果表明：所设计的涡激振动抑制装置,均能在一定程度上降低立管的涡激振动响应。从抑制效果来看,对称来流情况下的双组双螺旋装置的效果最佳,其次为单组双螺旋装置和长扰流纤维装置,而短扰流纤维装置和非对称迎流情况下双组双螺旋装置的效果较差。对称来流和非对称迎流情况下的双组双螺旋装置是相同的,因此,采用双组双螺旋装置时,应根据海域的长期洋流方向,合理地布置该装置,使其最大限度地发挥抑制作用.     

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。     

两种典型立柱截面浮式平台涡激运动耦合特征试验研究

本文基于模型试验,研究了立柱截面形状和来流方向对浮式平台涡激运动特征的影响,并着重分析了涡激运动的不同阶段艏摇运动与横荡、纵荡运动的耦合特征.结果表明:立柱截面形状和来流方向会对浮式平台的涡激运动响应和耦合特征产生明显影响;在大多数工况下,圆柱平台的横荡和纵荡运动幅值均大于方柱平台,最高可达6.1倍.但是在45°流向下,圆柱和方柱的横荡运动幅值比较接近,当约化速度超过12后,方柱平台的横荡运动幅值甚至超过了圆柱平台;相同工况下,方柱平台的艏摇运动响应幅值远大于圆柱平台,并且在45°流向下方柱平台艏摇运动中观察到了"涡激共振"现象;不同流向下,方柱和圆柱平台涡激运动频率随约化速度变化规律比较类似,大致可分为三个阶段,但在不同阶段涡激运动耦合特征差别较大,并且在45°流向下方柱平台艏摇运动中观察到了特殊的"主频跳动"现象.     

串列双圆柱涡激振动数值模拟

基于计算流体力学技术开展了低雷诺数Re=150条件下串列双圆柱单自由度涡激振动的数值模拟研究,分析了不同间距比L/D=1.5~5.0、约化速度V_r=3~13条件下串列双圆柱结构动力响应和尾流旋涡脱落特性.结果表明间距比的变化改变下游圆柱锁定区间.对于各个间距比下的上游圆柱其动力响应和单圆柱涡激振动基本相同,而对于下游圆柱其动力响应明显与单圆柱不同.研究还发现存在一个临界约化速度V_(r,crit),当V_rV_(r,crit)时,上游圆柱振幅大于下游圆柱振幅;而当V_rV_(r,crit)时,下游圆柱振幅大于上游圆柱振幅.此外,文中还对不同间距比条件下上、下游圆柱尾流旋涡脱落形态展开了相应的研究.     

圆柱后梁结构振动对尾涡发放特征影响的研究

采用分离式双向流固耦合分析方法,对刚性圆柱-弹性梁结构的涡激振动现象进行数值模拟。结构承受的流体载荷用CFD方法计算,弹性梁结构的振动响应用有限元方法求解。基于Ansys Workbench平台的System Coupling模块实现数据传递,完成耦合计算。通过与绕流刚性梁尾涡的发放特征进行比对,分析结构振动对尾涡发放的影响。研究结果表明,振动对尾涡场结构以及尾涡发放频率有较大影响。与绕流刚体相比,弹性梁自由端的振动使得附连流体的运动状态发生改变,导致尾涡形成区长度变短,宽度增加,速度亏损增加。弹性梁结构自由端附近尾流场涡旋中心的强度高于刚体结构的尾涡强度,但其空间衰减梯度较大,使得远场涡强较低。