立管涡激振动高阶响应研究

由于高阶响应对结构涡激振动存在显著影响,文中在考虑其影响的前提下利用经典Van der Pol尾流振子模型研究了立管在均匀流中的涡激振动特性。在尾流振子与结构模型的相互作用中同时考虑了一阶响应和高阶响应的影响,从而推导了一种考虑了一阶—高阶响应的涡激振动模型。并在此基础上,分析了考虑位移、速度和加速度三种不同右端耦合项作用下的响应特性。此外,还针对不同的质量阻尼比,比较了考虑高阶响应影响和未考虑高阶响应影响情况下系统的涡激振动特性。结果表明,考虑一阶—高阶响应的理论模型能更精确地反映该系统的振动特性。尾流振子和立管的运动幅值都有一定程度的增大。尽管计算结果显示高阶响应比一阶响应小若干个量级,但是不可以忽视高阶响应,因为它对一阶响应存在明显的影响。     

非线性管土耦合条件下悬跨管道涡激振动响应时域预报

海底悬跨管道与海床耦合呈现高度非线性,使得发展一种时域预报方法成为需要.文章运用有限元法对输液张紧悬跨管道进行空间离散,并应用Facchinetti等改进的尾流振子模型和切片假定模拟每个有限单元上的涡激振动水动力,发展了一种悬跨管道-海床-流场多场耦合的非线性时域预报方法.在合理选取尾流振子模型附加水动力阻尼参数的基础上,时域预报了线性、理想塑性和张力截断弹簧模型下悬跨管道的涡激振动响应.研究结果表明,基于尾流振子的时域预报方法能够合理地描述非线性管土耦合边界下VIV响应;非线性边界条件下,锁定产生的最大响应幅值低于线性结果.     

螺旋侧板的高度对VIV影响的CFD分析

深水立管在来流作用下容易产生流向和横向的周期性位移振动(VIV),这种流固耦合作用会加剧立管结构疲劳,最终导致其功能失效。之前的研究发现螺旋侧板可以有效的抑制VIV的影响,其中侧板高度和螺距等几何参数决定其抑制效率。文章主要基于CFD对不同高度螺旋侧板的立管的尾流场进行数值模拟。结果表明:在研究范围内,螺旋侧板随高度增大抑制VIV效果越好,在H=0.25D(D为立管直径)时作用最佳,但拖曳力系数明显增大,同时来流方向和螺旋侧板的夹角也会影响其抑制效率。     

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。     

柔性管异形表面结构对其涡激振动影响的数值研究

涡激振动（VIV）是导致海洋立管疲劳破坏的主要诱因,因此,抑制振动是立管设计需关注的重要内容。本文通过运用双向流-固耦合数值计算方法,开展翼型管、纹理管与光滑管的涡激振动响应特性的对比研究,探讨扰流翼板与表面纹理等异形表面结构对涡激振动被动抑制的有效性。计算结果表明：异形表面结构能够有效降低柔性管体的振动响应,缩短锁振区间,并且影响尾流区泄涡发放模式,减小管体流体力系数,起到明显抑制管体涡激振动的作用,且在较高的速度工况下,这种抑制效果更加显著。该研究可为采用被动式振动抑制的翼型管和纹理管等异形结构的海洋立管设计提供一定的理论参考。     

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。     

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。     

上游静止柱体对圆柱体结构尾激振动的影响

文章运用半隐式特征线分裂算子有限元算法对串列布置的静止上游柱体和下游圆柱的尾激振动问题进行了数值模拟研究。数值结果表明:上游柱体结构的形状、尺寸比(d/D)和折减速度(Ur)三个参数对下游圆柱体结构的动力响应、运动轨迹与涡脱落模态有着显著的影响,且与单圆柱工况相比存在明显区别;随着尺寸比的增大,上/下游柱体结构之间的互扰作用会由流致效应逐渐转变为尾流效应,使得频率特性发生变化,并会导致下游圆柱体结构的振动响应增强;当d/D=0.5和1.0时,下游圆柱体结构的运动轨迹主要为“8”字形;当d/D=1.5时,除了“8”字形外,运动轨迹还会呈现双弯刀形、“双8”字形和不规则形状。通过对流体力系数与位移时程曲线及位移PSD曲线特性进行分析,揭示了其相互作用的内在机理。另外,下游圆柱体结构的尾流场特性也会随参数的变化而变化,其涡脱落模态主要为2S、P+S和2P三种。     

空腔流尾流模式振荡特性研究

采用基于两方程k-ω-SST模型的IDDES方法,对5类空腔流进行数值模拟,研究空腔流尾流模式的振荡特性,详细分析了流场中涡结构、腔口法向速度等信息,着重探讨了空腔跨度和深度对尾流模式振荡频率的影响。数值计算结果表明:IDDES方法可有效模拟尾流模式不可压缩空腔流,捕捉空腔流一个周期内涡的演化规律;不同跨度、深度空腔尾流模式流场结构及涡发展规律基本一致;空腔跨度几乎不影响振荡频率,而深度对振荡频率有显著影响,与可压缩空腔流Rossiter给出的半经验公式有明显区别,并揭示了这种现象产生的原因。     

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。     

剪切流作用下立管涡激响应的研究

为研究剪切流作用下立管的涡激振动问题,文章建立了三维立管的涡激动力响应方程,顺流方向的力通过Morison方程求解;横向涡激力采用改进的尾流阵子模型求解,考虑了附加质量的变化;轴向力的计算考虑平台升沉运动的影响。采用有限单元法离散控制方程,离散后的方程采用Newmark-β法在时域求解。在此基础上,研究了剪切流作用下立管的多模态涡激振动响应,讨论了剪切参数对立管涡激动力响应的影响,并比较了均匀流和剪切流条件下立管不同的响应特征。结果表明,剪切参数对立管的涡激响应动力响应有很大的影响,剪切流条件下立管呈现的多模态响应极为复杂,与均匀来流条件下的振幅和频率响应特点明显不同。     

海洋立管涡激振动的主动控制技术

涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要原因,如何抑制海洋立管的涡激振动一直是海洋工程中的热点和难点问题.海洋立管主动控制技术能根据多变的环境条件实时调整控制策略和参数,具有更好的适应性.文章研究了通过施加端部激励对海洋立管涡激振动进行抑制的主动控制技术.基于尾流振子模型来模拟尾流漩涡与结构之间的相互作用,结合有限差分法和龙格-库塔法求解立管振动方程.轴向力激励对涡激振动存在显著干扰,频率比较小时,轴向力激励能降低涡激振动位移;频率比远离共振频率时,立管振动呈宽频特性.     

不同流速下磁悬浮支撑单圆柱振子流致振动响应分析

利用流致振动进行海流能发电是当前可再生能源研究的重点,用磁悬浮支撑代替金属弹簧提供弹性回复力能有效延长装置使用寿命。本文基于等效磁荷法对永磁体间磁力求解,构造磁力弹簧位移函数,将磁力函数代入到STAR-CCM+中利用流固双向耦合法对单圆柱振子进行计算,研究磁悬浮支撑单圆柱振子在不同流速下的振动响应。结果表明：永磁弹簧压缩量为1.2D情况下,l=0.06 m的振子在0.4～1 m/s流速区间内能够保持较高的振幅与频率,l=0.07 m和l=0.08 m的振子在0.8～1 m/s流速区间内的频率较大,能达到2.6 Hz。     

考虑不同管土作用模型的海底多跨管道动力特性

当前,海底多跨管道涡激振动分析多将管土段简化为固支或简支边界.针对此问题,采用3种更为复杂的土体模型,研究对比不同管土作用对多跨管道涡激振动特性的影响.采用尾流振子模型模拟流-固耦合作用,构建考虑流-固-土多场耦合的悬跨管道涡激振动预报模型,分析不同土体模型下的管道动力学规律.研究结果表明:不同的管土模型会对管道振动产生不同程度的影响,且管土非线性作用会明显制约管道的振动特征,使最大位移幅值和局部应变等发生改变.     

振荡来流下柔性立管涡激振动响应特性试验研究

在顶部浮体的带动下,悬链线立管的动力响应会诱发其周围产生相对来流,而这种振荡来流将激励立管悬垂段产生“间歇性”的涡激振动。文章在海洋工程水池中对不同最大约化速度URmax、KC数组合下的振荡来流作用下的柔性立管开展模型试验研究,利用光纤应变片测量模型的涡激振动响应。结合模态分析与小波变换对试验数据进行分析,讨论并总结了最大约化速度URmax以及KC数对涡激振动位移幅值响应特性的影响规律。文中进一步分析发现振荡来流下的涡激振动响应还存在“迟滞”及“高阶谐频”现象。     

薄圆桶压电振子的弯曲振动分析

薄圆桶压电振子是薄金属圆桶底部粘合压电陶瓷圆片的振动元件.文章利用瑞利—里兹法,采用弹性边界约束条件,对薄圆桶压电振子的振动特性进行理论分析,推导得到压电振子振动频率方程,通过数值计算分析支撑结构对压电振子频率的影响,为该类传感器的研制提供设计依据.经分析计算,当压电振子中陶瓷圆片结构确定时,振子的谐振频率随支撑结构厚度的增加、半径的减小而增大.其中当金属底面厚度与振子总厚度之比在0.5～0.75之间时,振子谐振频率变化缓慢,当两者厚度比超过0.75后,谐振频率迅速增高;而当压电圆片与支撑结构半径比在0.4～0.9之间变化时,振子谐振频率随两者半径比的增大而增加,变化斜率也略有增大.     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明:立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响分析

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明：立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

张力和流场分布对张力腿涡激振动响应的影响分析

本文以尾流振子模型为基础,通过改进Lyong的半经验公式法,研究了张力腿的张力变化以及流场分布对张力腿涡激振动响应的影响.计算结果表明,张力腿的张力改变,使各阶模态的锁频区域分布发生变化,从而改变了结构的涡激振动响应;流场分布的响应计算表明,同样的流场分布对不同阶模态的激励作用的效果不同,因此最后的响应结果是各阶模态响应的综合.     

张力和流场分布对张力腿涡激振动响应的影响分析

本文以尾流振子模型为基础,通过改进Lyong的半经验公式法,研究了张力腿的张力变化以及流场分布对张力腿涡激振动响应的影响.计算结果表明,张力腿的张力改变,使各阶模态的锁频区域分布发生变化,从而改变了结构的涡激振动响应;流场分布的响应计算表明,同样的流场分布对不同阶模态的激励作用的效果不同,因此最后的响应结果是各阶模态响应的综合.