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。     

基于功率方程的圆柱体涡激振动研究

针对预测结构涡激振动响应的半经验性模型,根据动力学普遍方程(达朗贝尔-拉格朗日原理)建立了自由振动圆柱的涡激振动功率方程模型。该模型的建立过程不需要引入经验性参数,是研究流固耦合问题的一般方法,适用性强,易于拓展。为了评估自由振动圆柱功率方程的可靠性,利用计算流体力学(CFD)数值模拟提供的流场信息对功率方程进行求解并与实验结果进行对比。结果表明该模型能够有效地预报圆柱的涡激振动响应。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

基于一种固体区域迭代算法的圆柱涡激振动数值计算

利用Fluent平台的用户自定义程序（UDF）以及动网格模型,实现了圆柱运动方程的一种迭代求解算法,分别对层流、湍流状态下,弹性支承圆柱体在一定约化速度下的涡激响应进行了数值模拟,探讨了不同阻尼比对涡激响应的影响。结果表明：采用该迭代求解算法对弹性支承圆柱涡激振动的预测结果较为合理;随着阻尼比的逐渐增加,初始支振幅、升阻力系数时程曲线将由多频率拍振,最终变为单一频率主导的振动,且涡激振幅逐渐减小;除了质量-阻尼比联合参数m*ζ外,阻尼比ζ本身也应作为一个重要的涡激影响参数单独进行考量。     

细长海洋立管涡激振动预报模型

涡激振动预报对于深水环境中的细长海洋结构物的设计至关重要.近年来出现的若干经验模型基于圆柱体受追振荡实验数据.文中介绍了细长海洋结构物涡激振动预报工具的发展,进而提出了一种基于圆柱体受迫振荡实验数据的预报模型.与现有的类似模型相比较,该模型更加直接地利用了原始模型实验数据,并且将立管的有限元模态分析并入到响应预报当中,以计及立管物理参数的不均匀特性.利用近期立管模型在阶梯状分布流以及剪切流中的涡激振动响应实验测量数据,验证了该模型的有效性.该模型的计算结果表明,立管的模态振型、模态频率与涡激振动响应高度耦合,并且对于低质量比的情况尤为明显.文中还指出了类似的基于受迫振荡圆柱体实验数据的预报模型存在的缺陷.     

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.     

基于受迫振动实验的柔性立管的VIV响应预报

涡激振动响应预报对于深水海洋结构物的设计是非常重要的。近年来，基于圆柱体的受迫振荡实验数据提出了若干经验模型。针对潘志远提出的一种基于实验数据并且与立管的有限元模态分析有机结合的VIV预报模型，采用近期的一个阶梯状分布来流下的涡激振动响应实验测量数据，验证了该模型的有效性和局限性。     

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。     

倒角半径对方柱涡激特性的影响研究

采用有限体积法对具有不同倒角半径方柱涡激振动开展了数值研究。方柱涡激振动系统简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST k??湍流模型对低质量比弹性支撑的方柱涡激振动进行了模拟。研究发现:方柱涡激振动最大振幅曲线随着折合速度的增大先增大后减小,与圆柱涡激运动初始激励分支和下端分支相类似,但没有发现幅值跳跃现象。流向振幅最大值出现在20%倒角且折合速度5.0时,大小为0.28D,而横向振幅在30%倒角工况中折合速度为6.0时达到最大值0.47D。方柱涡激振动没有发生类似圆柱一样的频率锁定现象,但其振幅呈现明显的"差拍"规律,差拍区间随倒角半径大小而异,最后对不同倒角半径下方柱运动轨迹进行了讨论分析。     

基于SST k-ω湍流模型的二维圆柱涡激振动数值仿真计算

随着海洋工程逐渐向深海发展,广泛使用的柔性立管因为高频振动很容易受到严重的损伤。因此对于这类细长柔性结构的涡激振动(VIV)研究是当今的一个热点,同时随着计算机的快速发展,CFD(计算流体力学)技术成为研究涡激振动问题不可或缺的一种方法。本文采用雷诺平均纳维尔-斯托克斯(RANS)方程,并结合SST k-ω湍流模型,研究低质量比弹性支撑刚性圆柱体的涡激振动问题。从振幅响应、频率响应、3个响应分支的水动力性能、尾涡模式等方面和Williamson相关实验作对比。结果表明,SST k-ω湍流模型能够有效准确地模拟圆柱绕流的涡激振动。本文丰富了海洋工程的理论研究,为柔性立管的实际应用提供了一定的理论指导。     

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。     

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。降低，当约化速度Ur=5.5附近，分离盘长度越长，升阻力系数与振动响应越小。（2）添加附属分离盘后，裸圆柱所对应的双排尾流涡将变为单排尾流涡；随着分离盘长度增大，涡泄的位置往后推移，与此同时，分离盘的两侧逐渐出现一组次漩涡（分离盘上产生的漩涡）；分离盘长度L=0.5D时，因其未能完全阻隔上下两侧漩涡的相互作用，并将一侧漩涡切分为二，与另一侧漩涡在尾流形成2P形态的涡。（3）附属分离盘长度的增加使得圆柱振动范围不断缩小，但会造成多频的振动特征，而且还有效地改变来流向响应与横向响应的相位角。（4）添加附属分离盘后，一方面圆柱阻力的主频率明显降低，而且主频率所对应的功率谱密度也明显降低，说明分离盘能降低来流向的振动频率与振动强度，但会造成附属分离盘的圆柱阻力表现为多频、宽频的振动特征；另一方面添加附属分离盘的圆柱升力频率明显降低，但同样会造成多频和宽频的振动特征。总的来说，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。本文的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基础。     

光滑深海立管涡激振动DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SST k-ω湍流模型基础上的DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

光滑深海立管涡激振动 DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SSTk-ω湍流模型基础上的 DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定 DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

质量比和阻尼比对不同工况下圆柱涡激振动的影响

基于流体计算软件STAR-CCM+中重叠网格和DFBI技术,在Re=150,UR=5条件下对单圆柱及串列不等直径圆柱涡激振动进行数值模拟。模拟中分别在较大范围内改变质量比(1～300)和阻尼比(0～1),获得了各工况下圆柱振动响应及受力与质量比和阻尼比的关系,分析了质量比和阻尼比对圆柱振动的影响及联系。结果表明：从整体来看,圆柱振动幅值和阻力随质量比和阻尼比的增加而降低,升力呈先升后降趋势。在小质量比下(m^*<20),圆柱振幅和受力受质量比和阻尼比影响较大,并随两参数的变化而快速变化;在较大质量比下,圆柱振幅和受力趋于稳定,几乎不再受质量比和阻尼比影响,流固耦合效应变弱。此外,还将参数m^*ζ值相同而m^*和ζ不同的圆柱响应数据进行对比,得出在低雷诺数下,相同m^*ζ的圆柱涡激振动响应呈相同的趋势。     

低质量-阻尼因子圆柱体的涡激振动预报模型

本文考查了在均匀来流中作横向振荡的圆柱体与周围流体之间的能量转移,由此建立了基于受迫振荡实验数据的弹性支撑圆柱体在均匀流中的涡激振动响应预报模型.根据此模型,分析了低质量-阻尼因子圆柱体的涡激振动响应特性.就水中圆柱体涡激振动响应特性相关的几个关键性问题进行了深入的讨论,包括响应振幅的决定因素、附加质量对锁定范围及响应频率的影响.正确理解这些问题对于深水立管涡激振动响应的有效预报至关重要.