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。     

圆柱涡激振动Ⅱ：新模型

本文介绍了跟踪空气中圆柱涡激振动的新实验得到的数据所作的解析互作。实验结果在上期杂志的一篇姐妹篇上作了报导。挠性支撑圆柱涡激振动被一个新的其速度与系数相关的单自由度模型所模拟。这个模型是带有自激和自限的Van der Pol型气动弹性阻尼项和气动弹性参数激励项的常微分方程，后一项是新增加到现行模型上的。文中还概述了模拟方程的推导，并联系姐妹篇中报告的实验数据作了分析和参数估计。在分析中模型及其参数已被作了无因次化，以便广泛应用。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

高雷诺数下加装导流板的圆柱绕流数值模拟

长圆柱结构在水流冲击和波浪作用下,后端不断产生周期性的漩涡脱落,其诱发的涡激振动会引起结构疲劳损伤,从而破坏结构。在圆柱结构迎流区和尾迹区加装导流板之后,通过阻碍上下剪切层动量交换,延迟边界层分离,从而有效抑制圆柱涡激振动现象。利用数值模拟研究了二维加装导流板的圆柱受力特性。采用k-ω湍流模型,对高雷诺数流动状态(Re=10~6)下的二维导流圆柱在不同迎流速度、及不同迎流角度下所受阻力和升力进行了计算。     

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。     

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。     

大型深水导管架建造工况条件下的杆件涡激振动评估

基于国内某深水导管架项目，从工程实用角度出发，介绍在导管架建造过程中杆件涡激振动的理论评估方法和约束条件的选择标准，并对结构片总装时的涡激振动进行计算。结果表明：较弱的约束条件使杆件更易发生涡激振动；不同规格杆件的涡激振动对约束条件的敏感性不同；高柔度杆件具有相对更高的涡激振动风险，短粗型杆件的涡激振动对约束状态的变化更敏感。     

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。     

细长海洋结构物涡激振动研究综述

随着世界范围内深海石油开采的需要,近年来关于海洋结构物涡激振动的研究越来越受到重视.虽然此问题在数值模拟和实验方面都已取得了一定的进展,但是还有许多问题尚待解决.同时,新型海洋结构物的引入给涡激振动的预报方法和抑振手段提出了新的挑战.因此,细长海洋结构物的涡激振动仍将是未来几年里备受关注的研究课题.本文在介绍有关涡激振动基本概念和理论背景的基础上,总结了近年来关于以深水立管为代表的海洋结构物涡激振动的研究与进展,包括对现有涡激振动分析工具的分类与评估;对柱体及海洋结构物涡激振动的实验研究;对深水立管与涡激振动相关的疲劳评估准则的研究;海洋结构物的横向、流向及轴向涡激振动的耦合作用研究;关于海洋结构物涡激振动的抑振措施和设备的理论及实验研究.本文着重介绍了计算流体力学方法在海洋结构物涡激振动研究中的应用和进展.最后,对海洋结构物涡激振动相关的研究热点的现状进行了总结并对今后工作提出了展望.     

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。     

涡激振动对FPSO外输系统的动态响应分析

外输系统包括FPSO、外输浮筒、外输管线主要构成部分,在外载荷的推动下,各个构件间存在复杂的耦合作用。由于输管线跨距长,在复杂的海洋环境载荷作用下极易发生涡激振动现象,从而引起管线的疲劳破坏。为研究涡激振动对FPSO外输系统的动态响应的影响,本文对FPSO及其外输系统进行了一系列的水动力分析,结合考虑浮体/管线的耦合效应和管线涡激振动现象,求解FPSO与外输浮筒的总体运动响应及外输管线的张力、疲劳损伤值,总结管线涡激振动现象对整个FPSO外输系统总体性能的影响。计算结果表明,管线的涡激振动效应对其自身的疲劳寿命起到主导性作用,而对FPSO及外输浮筒的运动响应和系缆张力的影响较小。     

振荡流下悬链线式立管涡激振动特性研究

本文应用改进的尾流振子模型对振荡流下悬链线式立管的涡激振动特性进行了研究。首先基于向量式有限元建立了悬链线式立管振动控制方程,利用独立性原理和改进的尾流振子模型模拟时变的涡激升力,然后采用中央差分法求解立管的涡激振动响应。利用相应的试验结果验证了本文模型的有效性。最后,对振荡流下悬链线式立管涡激振动响应特性进行了分析。研究结果表明：振荡流下悬链线式立管响应幅值出现“振幅调制”现象,大KC(Keulegan-Carpenter)数下,进一步出现典型的“间歇涡激振动”现象;KC数对质点振动相图形状以及流固能量传递有显著影响;振荡流下立管响应峰值随流速呈“多峰”现象,KC=20时多峰现象更为明显;在小KC数范围内,较小的KC数会激励立管产生较大的涡激振动位移。     

振动半圆柱尾流中的二维摆动水翼推进性能研究

文章研究了粘性流场中半圆柱振动产生的旋涡对二维摆动水翼推进性能的影响。利用数值方法计算了振动半圆柱尾流中二维摆动水翼的水动力性能。计算结果表明,半圆柱涡和水翼涡之间存在4种相互作用模式。相反旋向的半圆柱涡和水翼涡相互作用时,摆动水翼的平均推力系数最大。相同旋向的半圆柱涡和水翼首缘涡相互作用并且最终融入到水翼尾缘涡时,摆动水翼能够从半圆柱涡中吸收能量。