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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同湍流模型下圆柱涡激振动的计算比较

为应用计算流体力学的方法模拟圆柱体的涡激振动问题,文章采用有限体积法结合两种不同的湍流模型（RNG k-ε和SST k-ω湍流模型）求解时间平均的纳维尔-斯托克斯方程（RANS）,对低质量比弹性支撑的刚性圆柱体在均匀来流中的的涡激振动问题进行了研究。计算对象参照Govardhan和Williamson的物理模型实验中的参数,通过比较两种湍流模型下圆柱体的振幅响应、频率响应及三个响应分支的水动力系数和尾涡模式,分析了两种湍流模型模拟结果的差异及原因,结果表明：RNG k-ε湍流模型和SST k-ω湍流模型的模拟结果差异很大,不论在振幅响应和频率响应上的计算上,还是对升力的谱分析上,SST k-ω模型的计算结果都更接近于真实的物理现象,并且采用SST k-ω湍流模型成功地模拟出了2P模式。因此从整体上说,SST k-ω湍流模型的模拟效果要优于RNG k-ε湍流模型。     

附加旋转圆柱涡激振动发电装置能量获取性能研究

应用基于嵌入式迭代浸入边界法,数值模拟了附加旋转圆柱的海流能利用装置的涡激振动,研究了能量利用效率CP,harness随俘能阻尼比ζharness、附加圆柱的无量纲转速α和方位角θ的变化规律,得到了能量利用效率优化参数组合。进一步研究了能量利用效率随组合参数α/θ的变化规律,给出了拟合关系式,定性分析了拟合公式系数随影响参数的变化规律。     

不同间距比下串联圆柱涡激振动数值模拟研究

针对不同间距比下小尺寸串联双圆柱在双自由度下的涡激振动位移响应,受力特性以及运动轨迹等进行仿真研究,应用Fluent中的SST k-ωMesh技术进行网格划分,运用动网格技术实现流固耦合。研究结果表明当S/D=3时,上游、下游两圆柱的“锁定”区间均为Vr=7-9,当S/D=4与S/D=5时,两串联圆柱的“锁定”区间范围增大。同时随着串联两圆柱间距比增大,上下游圆柱之间的影响逐渐减小,导致升力系数相应减小。随着约化速度增大,上下游圆柱的阻力系数均趋于稳定。当S/D=3时串联两圆柱运动的规律性较差,随着间距比增大上游圆柱“8”字形变得更加标准,下游圆柱轨迹则呈现多样化的特点。     

弹性支撑低质量比圆柱涡激振动数值模拟

近年来,随着深海石油工业的发展,立管的涡激振动现象越来越受学者们关注.使用RANS方程求解器,并结合SST κ-ω湍流模型,对横向和流向自然频率比为1的低质量比弹性支撑圆柱体的两自由度运动进行了数值模拟,计算雷诺数范围为5 300至32 000.采用四阶Runge-Kutta方法求解柱体的振动方程.并结合近期物理实验结果对升力系数、阻力系数、位移和尾涡模式进行了详细比较和讨论.较好地再现了试验观察到的锁定、迟滞、差拍等现象.     

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.     

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。     

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.     

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。     

紊流场中水翼的涡激振动分析

本文提出一种新的置于船尾流中水翼涡激振动的数值模拟方法,以湍流粘性系数代替运动粘性系数,将Ｏｓｅｅｎ奇异子片分布在二维水翼型线上,取Ｏｓｅｅｎ奇异子边界元法解作为ＮＳ方程的迭代初值,这种方法使得Ｏｓｅｅｎ奇异子边界元法与水域有限差分法的组合行之有效。模拟计算解释了水翼处在尾流场中会因参数设置不当产生发散的或等幅的涡激振动,并被试验从定性上核证。     

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。     

海洋平台的涡激振动研究及其分析方法

海洋平台的张力腿、立管以及海底管线的疲劳问题的一个主要根源就是波流引起的涡激振动.本文对海洋结构的涡激振动的研究发展、现状以及目前存在的主要问题做了论述,并重点介绍了涡激振动的理论和工程分析方法.     

海洋立管的涡激振动

海洋输流立管是海面与海底井口间的主要连接件，是海洋基础结构的关键组成部分，作为海面与海底的一种联系通道，既可用于浮式海洋平台，又可用于固定式平台及钻探船舶。立管在波浪及海流的作用下易发生涡激振动（VIV），涡激振动是深水立管设计的一个主要控制因素。对海洋立管涡激振动的工程背景、研究现状进行了介绍，对所做的研究工作进行了总结，并提出了研究中的不足之处及进一步研究的建议。