雷诺数对圆柱体涡激振动特性影响研究

为研究雷诺数,特别是高雷诺数对涡激振动(VIV)特性的影响,基于OpenFoam嵌入自编程序,分别设定雷诺数范围为1.45×103~10.20×103,5.80×103~40.80×103以及13.05×103~91.80×103对不同质量比的圆柱体进行涡激振动数值模拟.在低、高质量比条件下计算对比圆柱体在不同雷诺数范围内的涡激振动幅值、频率、流体力系数、运动轨迹以及漩涡脱落模式等特性,研究结果表明:在低质量比条件下,雷诺数范围的增大对圆柱涡激振动的影响主要体现在流向与横向各分支振幅的增加以及泄涡向2T模式的提前转变等;而在高质量比条件下,主要体现在横向幅值的增加与流向幅值的减小,锁定区间的增大以及最大振幅处运动轨迹的显著改变等.     

典型2维柱体涡激振动的数值模拟研究

利用作者编制的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的程序,对圆柱和方柱等典型2维柱体的涡激振动进行了数值模拟.计算结果表明:2维柱体的涡激振动存在2个锁定状态,即低折减风速条件下的流向锁定和高折减风速条件下的横向锁定;随着折减风速的增大,2维柱体的旋涡脱落模式从异向2S(2 single)变化到同向2S;伴随着旋涡脱落模式的转变,气动力和位移之间的相位差出现0→π的剧烈变化,即相位转换现象;通过对相位转换现象进行分析,给出了涡激振动是限幅振动的机理解释.     

圆柱体涡激运动的模型试验与数值模拟研究

为研究Spar等圆柱体海洋结构物涡激运动响应,进行圆柱体静水拖曳模型试验与数值模拟研究,测试不同来流速度下六自由度运动,分析圆柱体运动幅值、频率、斯特劳哈尔数和阻力系数等变化特性.研究结果表明:圆柱体运动均方根幅值随着约化速度增加至峰值,然后保持相对稳定;在锁定区域内,横向运动频率锁定在1.1倍固有频率,在锁定区域外,横向运动频率没有跳回固定圆柱泄涡频率而是保持持续增加;圆柱艏摇振幅随约化速度呈波动增加,艏摇频率近似等于同约化速度下的横向振动频率;圆柱阻力系数先缓慢增加,当约化速度大于6.2时,阻力系数保持在2.2左右;初始分支尾涡呈现2S模式,上端分支呈现出2P模式;大涡数值模拟对圆柱体涡激运动的幅值、频率和阻力系数等均有较好的模拟结果.     

阶梯状来流中立管的涡激振动响应预报

将变参数受拉柔性梁的有限元模态分析与涡激振动预报结合在一起,建立了变参数柔性立管的横向涡激振动预报模型,考虑到海洋立管的模态信息与涡激振动响应高度耦合,为合理计算附加质量对模态信息的影响,模态分析与涡激振动响应预报迭代进行.其中,使用有限元方法对立管进行模态分析,考虑了质量、拉力、抗弯刚度沿立管轴向的变化;在此基础上,涡激振动响应计算在各个模态上分别进行.在出现多模态参与的情况时,比较各模态的振幅,对模态受力进行折减.与近期阶梯状来流作用下立管涡激振动实验结果的比较显示,本文模型是有效的.     

高阻尼高雷诺数下串列双圆柱尾流激振数值研究

流激振动水流动能转换装置多柱体阵列涉及复杂的尾流激振问题,其运行时柱体振动具有高阻尼、高雷诺数特征.基于雷诺平均Navier-Stokes方程,结合SST k-ω湍流模型和任意拉格朗日-欧拉流固耦合动网格控制方法建立串列双圆柱尾流激振数值模型,重点考察小间距比(两圆柱中心距离与圆柱外径之比)、高阻尼、高雷诺数条件下串列双圆柱的尾流激振特性.计算时间距比分别为1.5、2、3、4、20,振动圆柱阻尼比为0.12,雷诺数范围为17 000～98 000.结果表明,不同间距条件下下游圆柱振动表现为驰振、分离的涡激振动-驰振、涡激振动等不同的振动特性,振动特性的不同与上游圆柱后面的尾流形态及其剪切层重附于下游圆柱的方式密切相关,间距比为1.5、2时上游圆柱分离出来的剪切层交互式地重附于下游圆柱,使下游圆柱振动表现为驰振;间距比为3、4时下游圆柱振动表现为分离的涡激振动-驰振振动形式,此振动形式的出现与恒定式的剪切层重附方式或剪切层未发生卷曲有关.     

圆柱两自由度涡激振动的数值模拟研究

利用自编制的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的数值模拟程序,计算了在低雷诺数Re=100条件下圆柱的两自由度涡激振动,涡激振动系统的折减阻尼比M*ε=0.020 8.结果表明,随着折减风速的增加,振动系统依次经历以流向涡激振动和以横向涡激振动为主导的两个锁定区域.结合笔者以前关于圆柱单自由度横向涡激振动的研究工作,考察了流向自由度对横向涡激振动的影响.结果表明,在低雷诺数和低折减阻尼条件下,流向自由度对横向自由度的涡激振动基本没有影响,从而验证了已有的基于实验研究的结论.     

水流作用下圆柱体的涡激振动分析

以弹性支承的刚性圆柱体为研究对象,把流体对结构的作用力分成升力FL和流体反力FR两部分,建立了一种分析圆柱体涡激振动的方法。该方法把结构振动的微分方程转化为振幅与频率的代数方程,并给出了流体力系数的经验公式。实例计算表明,圆柱体的涡激振动主要受无量纲参数折算速度的控制,一般在折算速度Vr为4.0—9.0时,发生频率的锁定现象。该方法是预测圆柱体涡激振动的一种实用方法。     

高雷诺数条件下二维方柱涡激振动的数值模拟

利用作者编制的基于松耦合方法的求解气动弹性问题的数值模拟程序,计算了二维方柱在高雷诺数条件下,的横向涡激振动.结果表明:随着折减风速的增加,在特定折减风速条件下,方柱的涡激振动出现锁定现象;由于方柱的自然振动频率和涡激振动系统的旋涡脱落频率的相互作用,涡激振动出现拍的现象;随着折减风速的增加,涡激振动系统的旋涡脱落模式从异相2S (2-single)变化到同相2S,即相位转换现象.该文还将计算结果和文献中的计算结果进行了比较和评价.     

基于浮框式测力模型的桥梁涡激力特性研究

基于开发的内置浮框式三节段测力模型装置,通过弹性悬挂测振风洞试验测试了某大跨度斜拉桥初步设计主梁断面的涡振响应及对应的涡激力.分析了发生竖向涡激共振的0°与+3°两种风攻角下的数据,验证了内置浮框式三节段测力模型在桥梁断面气动力测试中的可靠性,对比研究了不同风攻角下涡激力与涡激振动响应的测试结果,探讨了锁定区间范围内涡振频率、力与位移之间相位差及涡激力做功的变化情况.结果表明,内置浮框式三节段测力模型可以在风致振动过程中同步测试气动力;所测试得到的涡激力频率在风速锁定区间内与位移响应频率完全一致,同时,模型的竖弯涡激力与涡激振动位移响应之间存在的相位差随风速增大而增大,而涡激力做功有一个先增大后减小的变化过程.     

运用修正剪应力输运湍流模型模拟双自由度涡激振动

针对低质量比圆柱双自由度涡激振动振幅响应的数值模拟结果小于实验值的问题,基于OpenFOAM开源软件,对标准剪应力输运(SST)湍流模型以及数值模拟方法进行了修正,并通过圆柱绕流算例进行验证.运用扫频法,对约化速度为2~14,质量比m~*=2.6的圆柱双自由度涡激振动进行了数值模拟,并对结果进行了详细的分析与对比.结果表明,与标准SST模型的结果相比,采用修正SST模型的数值模拟结果与实验数据更为接近,运用扫频法能更好地体现涡激振动的非线性特性.文中提出的修正模型可以应用于海洋立管涡激振动的预报.     

不同表面粗糙度下圆柱体涡激振动响应特性数值研究

使用数值模拟方法,研究了不同粗糙度下圆柱体的涡激振动响应特性,对圆柱体的涡激振动位移响应幅值、响应频率、涡激力、漩涡泄放模式以及涡激振动位移响应与涡激力之间的相位角等参数进行了分析.结果表明,圆柱体涡激振动响应幅值随着粗糙度的上升呈下降趋势.当圆柱体表面光滑或表面粗糙度较小时,涡激振动响应可分为初始分支、上分支以及低分支.在初始分支以及上分支区间,圆柱体尾部漩涡泄放模式呈2S模式;在低分支区间,圆柱体尾部漩涡泄放模式呈2P模式.当圆柱体表面粗糙度较大时,涡激振动响应仅存在初始分支和低分支.初始分支区间,尾部漩涡泄放模式呈2S模式;低分支区间,尾部漩涡泄放模式呈2P模式.     

质量比对二自由度圆柱涡激振动影响的计算研究

利用Fluent平台的用户自定义程序(UDF)以及动网格模型,实现圆柱运动方程的一种迭代求解算法,对二自由度弹性支承圆柱体在一定约化速度下的涡激响应进行数值模拟;探讨不同质量比对涡激响应升力的影响。研究表明:采用的迭代求解算法能对弹性支承圆柱涡激振动做出合理预测;质量比对涡激响应的升力影响显著,不仅低质量比圆柱产生的振幅更大,低质量比较高质量比能产生更大的升力系数,且升力相对横向位移的"相位突跳"现象对应的约化来流速度U*更大;圆柱运动轨迹从最初的弧型转变至"8"字型,而后"8"字型逐渐消失并转变为水滴形。     

复合材料立管涡激振动数值计算

基于尺度自适应模拟(SAS)和计算结构力学(CSD),对复合材料海洋热塑性增强立管(Reinforced Thermoplastic Pipe,RTP)涡激振动响应进行数值计算.数值计算了聚氯乙烯(PVC)立管涡激振动响应和复合材料层合板模态,并与实验数据对比,验证了文中双向流固耦合方法和复合材料建模的准确性.并且,分别计算了不同条件下的RTP立管和相同尺寸的钢制立管的涡激振动响应.计算结果表明:来流速度为0.1m/s时,RTP立管都发生了频率锁定现象;RTP立管的来流向振动响应和横向振动响应同样重要,不可忽略;来流向振动响应及流场三维效应导致立管中部区域振动响应的轨迹比较杂乱;来流速度为0.2m/s时,相同尺寸的钢制立管的来流向和横向振幅比RTP立管的小,且钢制立管主要是低阶模态振动;铰-铰约束情况下的RTP立管的振幅相比固定-固定约束情况下的整体上稍大,且主要是2、3阶振型运动.     

海底管线涡激振动响应动力特性

海底管线管跨段的涡激振动,尤其是管跨在涡激振动下的频率锁定现象,是引发海底管线断裂失效的主要因素之一．通过对不同尺寸管道在不同流速条件下的漩涡发放频率、结构自振频率以及振幅的测量实验,找出了圆形管道在稳定流中涡激振动的规律,提出了由约化速度来控制涡激振动的方法为了将模型实验结果与理论计算结果进行比较,建立经验参数与不同实验条件下的物理参数之间的关系,利用尾流振子模型方法计算模型的涡激振动动力响应．通过模型实验说明尾流振子模型方法求解管道涡激振动的可行性,计算结果与实验结果吻合较好．     

深海采矿扬矿硬管内流作用下的涡激振动分析

为研究内流作用对深海采矿扬矿硬管涡激振动的影响,以Matteoluca改进的涡激振动结构和尾流振子耦合系统模型为基础,采用加速度耦合方式,用模态主振型函数对硬管微分方程进行了离散,对建立的内部流场作用下的深海采矿扬矿硬管涡激振动微分方程,计算分析了输送速度对硬管涡激振动固有频率和响应幅值的影响.结果表明,当输送速度使硬管固有频率在漩涡脱落频率附近变化时,结构和尾流振子耦合系统的振幅将会增加,系统的工作稳定性降低.为了保证管道输送的连续性,要避免采用使管线产生“锁振”现象的输送速度.     

桥梁长索结构风致振动研究新进展

随着桥梁跨径的增大,桥梁索结构的长细比越来越大、频率越来越低,出现了一些 新的风致振动问题,如悬索桥吊索风致振动、斜拉索高阶涡激共振、安装亮化灯具的桥梁索结 构驰振等. 针对这些新挑战,采用现场观测、风洞试验和理论分析等手段,研究人员进行了系统 的机理研究,并提出了一些有效的振动控制措施. 结果表明：悬索桥吊索风致振动的机理复杂, 在斜拉索上积累的振动控制经验难以直接应用,安装刚性分隔架是抑制索股相对振动的有效 手段;已在多座大跨径斜拉桥上观测到斜拉索高阶涡激共振,增加了斜拉索振动控制的难度, 采用双阻尼器是可同时控制斜拉索高阶涡激共振和低阶风雨激振的有效方案;在桥梁索结构 上安装亮化灯具极易引发驰振,增加阻尼器和优化灯具气动外形是避免该类振动的有效措施.     

深水立管涡激振动单模态响应时频联合预报模型

利用基于圆柱体的受迫振荡试验数据提出的流体力模型,依据VIVANA的频域方法识别主导响应频率并建立升力和阻力模型,推导立管涡激振动单模态响应时频联合预报模型,在时域内通过迭代求解出立管的单模态涡激振动响应.结果表明:所推导的时频联合预报模型可用来预测立管的主导响应频率,对于低流速下激励出的单模态响应预报结果与试验结果吻合较好;对于高流速激励出的多模态参与的响应,整体响应及振型预测较好,但不能很好地预测出某些局部峰值.     

阶段流下大长细比深海立管抑振敏感性试验研究

在大型波流耦合试验水池中进行了阶段流作用下深海立管涡激振动抑振敏感性试验研究。试验立管模型长6.2m,长细比310,模型材料采用铜管,立管上部1.2m处于均匀稳定的流场中,下部5.0m处于静水之中。采用螺高为0.25 D的梯形截面双螺旋和三螺旋导板作为抑振装置,研究了不同覆盖率对立管涡激振动抑制效率及振动频率的影响,分析了其敏感性规律。结果表明:螺旋导板在立管上的覆盖率对抑制涡激振动有着重要的影响;在敏感区域内,覆盖率对抑制效率及振动频率的影响产生明显的过渡;当覆盖率超出敏感区域,抑制效率高且变化较小,而立管振动频率则产生明显的降阶。     

单列圆柱流体诱导振动数值模拟研究

基于表面涡方法和流固耦合模型,研究了雷诺数为2.67×104时的单列圆柱流体诱导振动问题,并计算了涡云图、流体力、振动响应、涡脱落频率等.计算模拟结果很好地重现了刚性单列圆柱在小间隙比(1.5)下以宽、窄尾涡交替和多频为特征的非均匀流态,以及间隙比为2.0时的涡脱落现象.此外,还研究了单列自由振动的弹性圆柱在间隙比为2.0时的流体诱导振动问题,结果表明:在大振幅条件下,流体诱导力在x方向和y方向有较强烈的耦合;随着振幅的减小,x方向振动对y方向振动的影响可以忽略,可采用单自由度的动力学模型假设进行计算.     

考虑大变形的深水立管涡激振动非线性分析方法

在以往研究成果的基础上,提出考虑大变形的深水立管涡激与参激耦合振动的力学模型,并开发相应的计算程序。在验证新模型计算程序可靠性的基础上,以服役于1 500 m水深的深水顶张式立管为算例,对其涡激振动的动力特性、涡激振动的响应特征以及涡激参数和环境荷载参数对立管振动响应的影响进行研究。结果表明:提出的分析方法能够很好地预测深水立管涡激振动的特征,深水立管的涡激振动响应受顶端平台激扰的影响,其响应特征是环境荷载、立管结构参数、顶部平台垂荡运动的函数。