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.     

基于本征正交分解和动态模态分解的尾涡激振现象瞬态过程的模态分析

尾涡激振是气动弹性领域的一种常见现象,在上游尾迹的气动激励下会导致流场中结构的强迫振动,该现象会危及被激励结构的完整性和疲劳寿命.本文使用圆柱/叶片的近似模型研究尾涡激振问题.该模型中的圆柱位于上游均匀来流,能够产生特定频率的卡门涡街;叶片位于流场下游,受到圆柱尾迹所施加的持续脉动激励,产生强迫振动.针对尾涡激励的近似模型,通过基于Fluent的二维数值计算,模拟了上游圆柱的脱落涡以及叶片从固定到以本身自然频率振动的瞬态过程,从而提供了流场变化过程的详细信息.基于非定常瞬态结果,采用本征正交分解(POD)和动态模态分解(DMD)分析方法,通过分解与重构叶片附近流场的压力场,提取模态频率及其变化过程,得到了尾涡激振现象的主要流动特征.通过对比两种模态分析结果发现,POD重构在残差处理方面有较大的优势,而DMD在单一频率模态的提取以及变化情况的分析方面更有优势.     

流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验研究

洋流流速沿水深的分层变化对长柔性立管涡激振动性能有一定的影响.在开发流速增大装置的基础上,在拖曳水池中完成了1组流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验,测量数据包括流向和垂直流向上立管表面的应变值,试验数据采用模态分析法加以分析.结果表明:流速分层流场中细长柔性立管涡激振动不同于均匀流场及剪切流场的振动;流速增大层立管流向弯曲曲线的最大弯曲点偏向于流速增大层的作用段;立管流向和垂直流向振动的频率分布呈现出集中和分散2种形式;激发的立管垂直流向振动与拍振动类似.     

分离板对圆柱体涡激振动特性影响的数值分析

圆柱形结构广泛地存在于自然界及工程界中,因粘性流动分离所诱发的涡激振动抑制问题一直备受国内外学者的密切关注。分离板作为常用的被动流动控制装置,其对圆柱形结构涡激振动的影响和抑制的内在机理还尚待开展深入的研究。文中基于升力振子模型和分离涡法（DES）,结合异步迭代算法,采用SIMPLE算法和Newmark-β法对离散的流体和结构方程进行强耦合的数值求解。数值验证了基于分离涡强耦合算法的准确性,开展了不同约化速度下（0 10时,分离板的存在会引起显著的驰振现象,圆柱振幅不断地增大;随U*的继续增加,剪切层在分离后又重新附着在分...     

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.     

吸气作用下圆柱涡激振动特性试验研究

为研究吸气对圆柱涡激振动的控制效果,采用吸气控制方式,选取不同的来流风速、吸气速度和吸气角度进行风洞试验.通过在风洞中使用质量阻尼系统使圆柱发生涡激振动,并对比控制效果.研究结果表明:定常吸气对涡激振动临界风速、涡激振动锁定区间长度以及降涡激振动的幅值都有影响;当吸气角度为0°,45°或180°时,吸气对涡激振动有很好的控制效果;当吸气角度为90°或135°时,控制效果最显著;吸气系数对控制效果也有一定影响.通过分析圆柱表面风压特性可知:吸气控制对流场既有稳定作用,又有扰动作用.当吸气流量比较小时,稳定作用占主导;随着吸气量增大,扰动作用越来越明显.     

波高对波纹管涡激振动特性的影响研究

立管在海流作用下极易发生涡激振动问题,涡激振动是造成立管疲劳破坏的主要原因,因此工程上亟需抑制其涡激振动的措施。本文针对波纹管结构,研究其波高大小对涡激振动特性的影响规律。首先在Gambit建立二维网格模型,再使用Fluent进行波纹管绕流模拟,计算雷诺数约5 000～60 000,而后分析比较不同波高对波纹管涡激振动特性的影响。结果表明:波高对波纹管涡激振动特性有重要影响,波纹管涡激力随波高增加呈先增大再减小再增大趋势;而波高对涡泄频率影响较小,但波纹管结构的Strouhal数较普通圆柱要高。     

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.     

细长柔性立管涡激振动疲劳损伤分析

为了深入分析细长柔性立管涡激振动响应带来的疲劳损伤,在拖曳水池中对柔性立管进行了试验研究.由拖车带动立管运动产生相对来流,再根据测试得到的应变数据,结合材料常数得到立管的疲劳损伤.分别使用了基于单频率、常幅值的频域法以及多频率、变幅值的雨流法对疲劳损伤进行分析.分析发现:不同流速、相同模态阶数下的应变响应频率很接近,是由不同的流速在立管周围产生不同的流体附加质量所致.在大多数情况下,频域法得到的预测疲劳损伤比雨流法得到的真实疲劳损伤要大;但在少数情况下则相反.     

旋转圆柱尾流中柔性丝线的拍动模态研究

本文采用罚浸入边界/格子玻尔兹曼方法研究了旋转圆柱尾流中的柔性丝线拍动模态.通过改变圆柱旋转率(α)及圆柱与丝线的水平间距(G),分析了α=0.1–3.0,G/D=0.05–3.5(D为圆柱直径)的参数平面内柔性丝线的拍动模态,探讨了模态间的转变特性及不同模态的形成机理.根据拍动丝线形成的包络图,本文发现了反向、缠绕和正向拍动三类主要模态,其中反向和正向拍动模态分别包含以下典型亚模态:反向单侧拍动模态、反向双侧拍动模态、反向静止模态;正向单侧拍动模态、正向双侧拍动模态、正向静止模态;并基于参数空间的模态相图,获得了间距比G/D渐增导致的反向-正向模态的主要模态转变路径;通过分析不同模态的典型尾涡结构,探讨了柔性丝线拍动模态形成的流动机理;此外,发现在特定参数下,丝线拍动可产生明显的反馈作用:完全抑制旋转圆柱尾流脱涡或促进尾涡生成脱泻,导致旋转圆柱减阻(甚至产生推力)或明显增阻.     

平直条带流致振动特性实验及其数值模拟研究

核反应堆内燃料组件受到高流速冷却剂的冲刷会产生流致振动现象,而燃料棒包壳和格架条带的振动将会导致燃料组件受到磨损,从而影响核电厂运行的安全性.为了研究格架条带流致振动的特性及分析方法,采用不带结构的不锈钢平直条带进行流致振动实验,并使用激光多普勒测振仪测量其在水流动条件下的振动特性.实验结果表明:当涡激振动频率在接近固有频率时会发生"锁定"现象;在特定流速区间内,涡激振动频率与流速呈线性关系;通过湿模态模拟方法可以较好地预测平直条带在水中的固有频率.     

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.     

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。     

某濒海结构振动特性及其振动控制实验

针对某大型半潜式濒海结构波激振动现象,分析了考虑流固耦合效应以后该结构的振动模态,找到了引起该结构发生波激振动的原因.为了控制其波激振动,应用深水调谐液体阻尼器方法对该结构的振动控制进行了实验.结果表明,该方法能明显抑制其主要模态（即第一阶模态）的振动,可以应用于该结构的振动控制.应用深水调谐液体阻尼器可以对某些濒海洞库防护门进行振动控制.     

悬索桥吊杆风致内共振及减振措施初探

基于现场观测,对特大跨度悬索桥吊杆风致振动现象进行了定性分析,排除了尾流驰振、涡激共振以及风雨激振的可能性.通过数值模拟和理论分析,表明这是一种主缆抖振引起的吊杆共振现象.随机风场激起主缆的随机抖振,而主缆的抖振含有丰富的模态成份,当吊杆的自振频率与具有一定抖振能量的主缆模态的频率充分接近时会激发吊杆的共振.因此,从来流紊流风场中获得能量的是主缆而非吊杆自身.由于与主缆的模态质量相比,一根或几根吊杆的模态质量很小,因此吊杆大幅振动吸收的能量并不会对主缆的振动带来实质性的影响,从而可形成一个相对稳定的能量供给机制.此外,在主缆上加设TMD抑制主缆在吊杆自然频率附近的振动,对吊杆风振有明显的抑制效果.     

剪切来流作用下圆柱体结构物的双自由度流致振动

基于四步半隐式特征线分裂算子稳定化流体有限元方法,对二维线性剪切来流作用下弹性支撑圆柱体结构物双自由度流致振动问题进行了数值计算,着重研究雷诺数Re=150时,不同参数(频率比、剪切率与折减速度)对圆柱体结构物振动响应及其流场的影响.计算分析表明,随剪切率的增加,圆柱体结构物2个方向的频率锁定区间扩大,结构发生共振现象的范围亦增大;折减速度对圆柱钝体最大振动幅度的影响较大,在锁定区间内,圆柱振动位移较大,否则较小;在高频率比工况下圆柱运动轨迹呈‘8’字形;当频率较低时,圆柱运动轨迹随剪切率的增大由‘8’字形渐变为‘雨滴’形;在剪切来流作用下圆柱尾流模态为双单涡(2S)与涡对(P)+单涡(S)两种泄涡模式.     

波纹管桩的数值分析

码头下面的桩基础在海洋环境中容易产生涡激振动,长期振动作用导致结构出现永久变形。由于通常在码头工程中常见的桩基础是圆柱管桩,因此本文提出采用一种新型的波纹管桩代替圆柱管桩为了进一步减少桩基础的涡激振动。本文首先发现在一定雷诺数下波纹管桩比圆柱管桩能够减小涡激振动,然后在保证数值模拟精度的条件下对不同波高和不同波数的波纹管桩进行数值分析,以找出最优参数的波纹管桩应用到工程之中。研究结果表明:在一定的雷诺数条件下,最优参数的波纹管桩在同等条件下比圆柱管桩的升力系数和阻力系数要小。即波纹管桩能够代替我们工程中常用的圆柱管桩,这对以后码头桩基础的设计提供了重要的依据,具有重要的工程应用价值。     

Π型钢-混凝土结合梁断面涡激振动及气动控制措施

Π型钢-混凝土结合梁由于其良好的受力性能和经济性，广泛应用于大跨径斜拉 桥中，但其气动性能相对略差，若设计不当则容易出现涡激振动现象，从而影响行车舒适性、 安全性或结构疲劳寿命等. 本文以广东潮汕大桥为实际工程依托，该桥为主跨205 m的独塔双 索面Π型钢-混凝土结合梁斜拉桥，开展了Π型钢-混凝土结合梁断面涡激振动及气动控制措 施研究. 首先，采用几何缩尺比为1∶50的主梁节段模型对该桥原设计方案主梁断面运营期涡 激振动进行了试验研究；然后，分别采用下稳定板、导流板、裙板、上稳定板等气动控制措施对 主梁涡激振动响应的控制效果进行了研究；最后，采用计算流体动力学方法（Computational Fluid Dynamics，CFD）对主梁断面最终采用气动控制措施机理进行了研究. 结果表明：主梁原 设计方案在设计风速范围内存在大幅涡激共振现象，涡激振动幅值超过规范限值；采用“三道 下稳定板+两侧竖向裙板+上中央稳定板”组合气动控制措施后，主梁涡激振动响应得到明显 抑制；该组合气动控制措施对Π型钢-混凝土结合梁涡激振动的控制机理主要表现为：设置三 道下稳定板可有效破坏Π型主梁下侧较大旋涡，Π型主梁两侧设置竖向裙板改善了其气动流 线型程度，设置上中央稳定板可有效阻止主梁上侧较大旋涡的运动.     

悬浮隧道锚索多阶涡激非线性振动

为研究悬浮隧道锚索高阶涡激非线性振动,建立了悬浮隧道锚索在涡街和参数激励作用下振动的数学方程,并用多阶伽辽金法对其进行了化简,运用四阶龙格-库塔法进行了数值求解.通过一系列数值算例对流作用下悬浮隧道锚索的多阶涡激振动响应进行了分析.结果表明:涡街单独作用时,第一阶谐振响应最大,二、三阶谐振响应逐渐减小;产生涡激谐振的模态响应最大,其他阶的模态响应很小.参数激励单独作用时,一阶参数振动的响应最大,二、三阶参数振动的响应逐渐减小;产生参数振动的模态响应最大,其他阶的模态响应很小;锚索的高阶涡激非线性振动不可忽视.锚索产生参数振动时,是否产生涡激谐振对模态响应的影响不大,涡激振动仅为参数振动提供恒定扰动的作用.     

超大跨度悬索桥涡激振动响应与振动控制

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,在忽略气动刚度和气动阻尼影响时,通过简化Scanlan经验非线性涡激力数学模型得到简谐涡激力数学模型。然后以各竖向模态涡振最大位移响应为优化目标,基于液体黏滞阻尼器参数敏感性分析和调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)参数优化设计方法,分别确定阻尼器参数和TMD参数。最后探讨了黏滞阻尼器耗能系统控制悬索桥多阶竖向模态涡振的可行性,详细分析了TMD系统控制涡激振动的效果。结果表明：在塔梁间设置黏滞阻尼器对各竖向模态主要起振区域的涡振位移控制效果不理想;TMD系统能有效抑制常遇风速范围内加劲梁的多阶竖向模态涡振响应,将最大振幅严格控制在容许值以内,提高了加劲梁抵抗涡振变形的能力。