剪切来流下柔性立管涡激振动抑制装置试验研究

文章针对柔性立管螺旋列板抑制装置在剪切流场中的涡激振动响应特性进行了试验研究,试验过程中通过旋转臂架从而形成相对剪切来流。通过测试得到的应变数据,基于模态叠加法,可得到立管的位移响应等参数。试验中针对螺旋列板的螺距和鳍高的变化进行了分析,系统地研究了不同螺旋列板状态下立管的主导频率、主导模态、无量纲振幅比以及疲劳损伤等参数。研究结果表明：螺旋列板可以很好地抑制立管的涡激振动响应;与螺距相比,鳍高对立管涡激振动响应会带来更大的影响;剪切流场中立管螺距恒定为5.0D（D为立管外径）时,鳍高为0.15D时的立管具有最好的抑制效果。     

正弦振荡来流下柔性立管涡激振动发展过程

  目的  采用viv-FOAM-SJTU求解器开展不同顶端振荡激励幅值影响下的柔性立管涡激振动数值模拟。  方法  求解器中立管的流体力学部分基于切片理论和雷诺平均纳维−斯托克斯（RANS）法求解,同时立管的结构动力学部分基于伯努利−欧拉弯曲梁理论和有限元方法求解。  结果  数值分析发现：随着振荡幅值的下降,横流向振动模态由多模态转变为单一模态;同时顺流向振动的主控模态保持不变,但模态振动的幅值减小。  结论  立管在反向运动中冲刷尾涡的行为随着顶端振荡幅值的改变会对立管涡激振动特性产生很大的影响。     

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。     

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。     

柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究

为了深入研究细长柔性立管的涡激振动响应特性,进行了柔性立管的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生相对来流,根据应变测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到位移响应。试验分析前,通过数值方法先针对刚性立管的涡激振动响应轨迹特性进行了分析。紧接着,通过试验方法对柔性立管的单模态以及多模态涡激振动响应轨迹特性进行了深入的分析和讨论。通过分析发现:柔性立管在低速下具有与刚性立管类似的轨迹响应特性,均呈现经典的8字形状;柔性立管在高速下,其轨迹开始变得混乱,这主要是由位移的多模态响应特性所产生。     

变张力细长柔性立管涡激振动响应特性数值研究

基于尾流振子模型,对轴向时变张力下细长柔性立管涡激振动响应特性进行数值研究。研究考虑三种不同的流剖面：线性剪切、指数剪切、以及真实阶梯流剖面;采用二阶中心差分方法求解结构振动和尾流振子的耦合方程;系统地比较三种不同流剖面下结构的振动位移、振动频率、位移包络线,以及位移时空演化等VIV响应特性。数值结果表明,线性剪切流下VIV振动位移和振动频率均与真实阶梯流下位移和频率存在很大差别,指数剪切流下VIV振动位移与真实阶梯流下情况非常接近,但指数剪切流下VIV振动频率与真实阶梯流下频率仍有较大差别。     

剪切流下海洋立管涡激振动的三维数值模拟

对1根长为9.68 m的三维海洋立管涡激振动现象进行流固耦合模拟,立管的长径比为482,来流为剪切流。通过在立管长度方向上施加一固定的顶部预紧力,来更好地控制立管变形。三维粘性、不可压缩流体场采用非稳态的N-S方程和k-ω湍流模型进行三维CFD数值模拟,固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模拟,通过一种新的方法 System Coupling实现流-固耦合交界面的数据交换。模拟结果与均匀流模拟结果相似,反映了多模态的振动特性,说明这种方法有一定的可行性。立管脱落呈现多种涡结构模式,稳定后呈2S。立管出现大的非对称弯曲变形现象,介于1阶模态和2阶模态之间转换,最终锁定在2阶模态。     

粗糙立管涡激振动响应特性数值模拟研究

海洋立管是连接浮式平台和海底井口的关键设备,涡激振动是其疲劳损伤的主要原因,海洋生物吸附等因素会影响立管表面的粗糙度,使涡激振动特性更加复杂.论文基于CFD(计算流体动力学)与CSD(计算结构动力学)的双向流-固耦合方法,引入粗糙壁面速度梯度修正模型,构建粗糙立管涡激振动数值计算程序,研究粗糙度、来流速度等参数对涡激振...     

柔性拖缆涡激振动响应特性数值模拟

为分析水下拖缆在一定流速下的振动响应,使用ANSYS Workbench平台并基于双向流固耦合计算方法构建三维水下拖缆涡激振动的数值仿真框架,并对1 kn均匀流速下的拖缆涡激振动响应进行数值模拟分析。仿真得到了拖曳力、升力,振幅以及位移轨迹变化结果,为进一步研究拖缆振动响应对水下探测系统的影响提供了一定研究基础。     

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。     

振荡流中二维圆柱的涡激振动数值模拟

  目的  在实际油气采集过程中,风、浪和海流的联合作用会使得平台做周期性的振荡运动,并在与平台相连的立管和海水间产生振荡流。圆柱在振荡流中的泄涡特性与在均匀流中的泄涡特性存在明显区别。  方法  采用基于OpenFOAM开源平台自主开发的具有重叠网格功能的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对在静水中做周期性振荡运动的二维刚性圆柱涡激振动进行数值模拟。首先,进行KC=3时的网格收敛性验证;随后,对KC=12时的振荡流中二维圆柱开展数值模拟。  结果  通过数值模拟结果对比,发现圆柱的横向振动加剧了升力系数的变化,使得泄涡方向和圆柱表面漩涡分离点的位置发生了明显变化。  结论  所得研究成果可作为基于切片法的振荡流中细长柔性立管涡激振动数值研究的基础。     

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。     

钢悬链线的涡激振动分析

文章介绍了立管在不同流剖面下的涡激振动实验,然后给出了简支钢悬链线的静态方程和基于能量平衡原理的涡激振动频域预报理论.之后提出把钢悬链的参数转化为顶部张紧钻井隔水管的参数的思想.通过预报顶部张紧钻井隔水管的涡激振动响应,得到钢悬链线的涡激振动响应.文中还研究了不同的顶部预张力和不同流剖面对钢悬链线的涡激振动响应影响.结果表明立管的固有频率和模态数的关系足线性的,并且立管的均方根位移和激励的模态数不仅与流速的大小和变化范围有关,还与顶部预张力有关.     

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。     

Experimental investigation on hydrodynamics of floating cylinder in oscillatory and steady flows by forced oscillation test

In this paper the hydrodynamic characteristics of a floating cylinder are investigated via forced oscillation experiments in towing tank. The effects of Keulegan–Carpenter number, Reynolds number, reduced velocity and overtopping on hydrodynamics of the floating cylinder in oscillatory and steady flow are studied. The results show a considerably difference of the hydrodynamic characters between the floating and the fully immerged cylinders due to the influences of free surface. The growth of the reduced velocity, a proven notable effect on hydrodynamics, will lead to the increase of added mass coefficient and the decrease of drag coefficient. Meanwhile the overtopping, a particular phenomenon for the floating cylinder, render the added mass coefficients reach up to 3.6 while for the drag coefficient small influences were made.     

流场中周期加肋圆柱壳振动能量流的实验研究

设计了周期加肋圆柱壳结构模型,对加肋圆柱壳受激振动的能量流进行了实验研究.分别对空气中和水下的周期加肋圆柱壳受外激励的输入能量流进行了测量.发现由于外流场的影响,水下输入能量流值总体要比空气中输入能量流值稍低,在频率相对较低时,理论结果和实验结果较为吻合,随着频率增高,由于杨氏模量和阻尼因子的变化,理论结果稍偏大.验证了理论推导和计算方法的正确性,可为此类结构的减振降噪设计提供参考.     

气垫船垫升风机的振动试验研究及模态分析

垫升风机是气垫船的关键设备,是气垫船振动噪音的主要激励源之一。通过分析某气垫船左舷垫升风机的设计特点,选择关键位置开展振动响应频谱测量,分析不同测点位置、不同转速条件下测点的振动烈度响应。采用有限元方法分析单舷垫升风机的固有频率和振型,研究影响垫升风机振动的主要因素。在此基础上,提出降低垫升风机振动的措施,并基于试验评估实际降振效果,其可作为气垫船垫升风机设计的技术参考。     

不同阻尼地板偶发振动抑制效果的试验研究

设计了不同硬度的阻尼地板替代目前铝合金地板来解决重物掉落引起舰船舱室内地板的偶发振动问题,其中间阻尼层的聚氨酯硬度分别为75HA、85HA、95HA,通过理论分析与用钢球模拟重物自由下落碰撞阻尼地板的试验,与铝合金地板的加速度响应作对比,研究了不同阻尼地板的隔振效果。研究结果表明,阻尼层硬度的增加会使得阻尼地板的隔振效果降低,并且阻尼层硬度对高频隔振效果的影响要小于对低频隔振效果的影响。