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。     

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。     

横流向涡激-参激耦合振动下深水钻井隔水管疲劳损伤预测

考虑深水钻井过程中浮式平台的升沉运动,基于Vander Pol尾流振子模型,建立深水钻井隔水管横流向涡激-参激耦合振动力学分析模型和控制方程,采用Galerkin法和Newmark-β方法对控制方程进行求解,获得涡激-参激耦合振动下深水钻井隔水管的应力时程曲线;采用雨流计数法和Palmgren-Miner线性累积损伤准则,获得深水钻井隔水管的疲劳损伤热点,在此基础上讨论波高、波浪周期、海面海流流速、顶张力对隔水管疲劳热点处疲劳损伤的影响。结果表明：隔水管横流向涡激-参激耦合振动疲劳损热点位于隔水管底部;波高主要通过影响隔水管参激振动特性影响隔水管的疲劳损伤,波高越大,疲劳损伤越大;波浪周期主要通过改变参激振动中隔水管的轴向力影响其疲劳损伤,波浪周期越小,疲劳损伤越大;海面海流流速主要通过改变隔水管横流向的涡激振动特性影响其疲劳损伤,海面海流流速越大,疲劳损伤越大;顶张力主要通过改变隔水管的轴向力分布影响隔水管的横流向涡激振动,进而对其疲劳损伤产生影响,顶张力系数越小,疲劳损伤越大。     

深海立管参激-涡激联合振动试验

深海立管在海流作用下发生涡激振动,在平台垂荡作用下发生参数激励振动,参数激励-涡激联合振动使立管动力特性更为复杂.在船舶拖曳水池通过拖车带动立管运动模拟均匀流下立管涡激振动,并设计频率和行程均可调的连杆装置带动连接立管顶端的弹簧,以模拟立管顶端受平台垂荡运动的影响,从而进行立管参数激励-涡激联合振动试验,研究流速、顶张力及参数激励对深海立管涡激振动的影响.结果表明,流速越大,立管振动应力越大,振动主频率越高;顶张力越大,振动应力越小,顶张力变化对立管涡激振动主频率影响不大;参数激励加剧了立管的涡激振动,立管振动应力随平台垂荡幅值增大而增大,随垂荡频率升高而增大,立管振动频率出现了参数激励频率的成分.     

考虑预应力分布的立管涡激振动特性分析

针对立管结构中存在着复杂预应力分布的现象,提出了考虑复杂预应力的立管涡激振动问题.基于梁结构理论,从应力-应变方程出发,建立了含复杂预应力的立管结构运动控制微分方程.对剪切流作用下典型顶张立管的涡激振动问题进行了数值计算,对比了复杂预应力对立管结构的自然频率、振型及典型节点振动特性的影响.计算结果表明,复杂预应力的存在对立管结构的动力特性有着重要的影响,特别是结构自然频率.文中所提出的方法可为复杂载荷作用下的立管结构动力特性问题的研究提供新思路.     

深海顶张式立管组合参激共振的非线性振动分析

研究了深海顶张式立管参数激励和涡激共同作用下的非线性振动特性.考虑平台升沉运动激励和涡激力建立立管振动方程,采用多尺度方法求解立管振动方程的近似解析解.考虑和型组合参激共振1 2?????情况研究立管的振动特性,计算得到了立管的幅频响应曲线,分析了平台升沉运动对深海立管非线性振动的影响.结果表明:当参激频率满足和型组合参激共振条件时,立管振动响应中频率为1/2参激频率的亚谐波成分明显;且由于内共振关系的存在,立管1阶模态被激发,其幅值远大于2阶模态幅值;随着平台升沉运动幅值的增大,立管横向振动幅值显著增大,这表明平台运动对于立管弯曲振动有重要影响.     

基于流固耦合作用的纤维增强复合材料海洋立管 涡激振动的三维计算流体动力学模拟

对正交式纤维增强复合材料海洋立管、优化后的纤维增强复合材料海洋立管和金属海洋立管进行基于流固耦合作用的三维计算流体动力学涡激振动模拟,探索不同材料的海洋立管的涡激振动特征;通过等效弹性模量法及层状结构法分别构建3种整体模型,通过System coupling模块与Fluent软件模拟所得的流场结果进行交互,以实现二者之间的耦合作用,并对比不同建模方式及不同种类立管在涡激振动作用下立管位移和应力响应的影响。结果表明:不同建模方式所得的涡激振动特征相近;结构的构造不同使得优化后的纤维增强复合材料海洋立管的位移及应力响应均大于正交式纤维复合材料海洋立管的;在涡激振动作用下,纤维增强复合材料海洋立管的振动幅值大于金属海洋立管的,其应力幅值小于金属海洋立管的,并且二者的变形与应力分布特征也显著不同,与不同种类海洋立管的几何构造尺寸、弹性模量、顶张力、支撑条件等有关。     

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.     

正弦型波纹管强化传热机制的数值分析

基于Fluent软件建立了正弦型波纹管内流体的数值分析模型,研究了湍流状态下管内流体的流动与传热特性,分析了波纹管不同结构参数及流体进口速度对管内强化传热性能的影响规律。研究表明:当雷诺数Re相同时,正弦型波纹管内流体的平均努赛尔数Nu是其当量直径光管的1.65~2.67倍,且当Re约为28 000时,传热效果最佳;波高、波长对波纹管强化传热均有较大影响,在高雷诺数条件下,经过结构优化的波纹管能使回流区与主流区交界处形成不稳定的剪切层,此时传热效果达到最优。     

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。     

分离式双箱梁斜拉桥涡激振动试验研究——以港珠澳江海直达船航道桥为例

为了研究分离式双箱梁斜拉桥的涡激振动特性,以港珠澳江海直达船航道桥为研究对象,以风洞试验为研究手段,分析加风障、增设不同开槽率的中央底板、改变腹板角度和增设导流板等气动措施对主梁涡激振动特性的影响,以及在不同风攻角下不同气动断面的涡激振动特点。试验和分析结果表明:风障虽然不能避免涡激振动的发生,但是可以有效地减小涡激振动的振动幅度;底板开槽可以有效地控制涡激振动的发生,并存在1个最佳开槽率;改变幅板角度可以有效地避免二阶涡激振动的发生,但对一阶涡激振动影响效果不明显;相比较而言,导流板设置在断面两侧是对主梁断面进行涡激控制最有效的措施。     

考虑复杂预应力的深海立管参激稳定性

针对立管结构中存在着复杂预应力分布的问题,探讨了立管受海洋平台升沉运动所引起的立管参激振动问题.基于结构预应力和立管振动理论,开展了含复杂预应力的顶张力立管结构参激振动问题研究.对顶张力立管的参激振动进行了数值计算,对比了复杂预应力大小、方向对立管结构固有频率、振型及参激不稳定区的影响.计算结果表明,焊接残余应力的存在使立管振动频率、振型、不稳定区大小和迁移方向发生改变,影响着立管结构的共振特性.     

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.     

尾流振子涡激振动能量收集系统设计

对尾流振子模型进行了数值模拟分析,运用格子Boltzmann方法对流场进行求解,得到最适合能量收集的尾流振子两柱间距和流体雷诺数.采用压电悬臂梁结构,结合流机电耦合方程对不同雷诺数(5 000≤Re≤15 000)下涡激振动的能量收集特性进行分析.结果表明,当7 000≤Re≤12 000时为涡激振动的锁振范围,当Re为8 000时振幅最大.改变两柱间距,对尾流振子模型的能量收集特性进行分析,可得所设计系统的理想间距为0.11 m,产生电压为38 V.当两柱间距为理想间距时,尾迹旋涡形态图中平行于Y轴的方向只有一个独立涡,此时振幅最大.     

悬链线立管涡激振动响应及协同学控制

针对钢悬链线立管结构体系涡激振动的自组织演化过程问题,采用协同学的方法,通过分析质点位移为序参量的结构振动演化主方程的非定态解,阐述了快驰豫参量和控制系统演化的慢驰豫参量之间的相互关联和协同作用,得到了代表立管系统振动时序参量所满足的主方程.进而探讨了结构振动控制的方法,包括改变结构弹性模量和内流流速的被动控制方法,以及控制外部流体流速的主动控制方法,为钢悬链线立管结构涡激振动控制工程实践提供了理论依据.     

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.     

Euler-Bernoulli海洋立管涡致强迫振动响应研究

针对海洋立管(Pipe-in-pipe,PIP)系统在海水作用下发生的振动问题,开展了对PIP系统在涡致强迫振动下的动力学响应研究,分析了在涡致强迫振动下海洋立管外管直径、轴向拉力、外激力频率对海洋立管位移响应的影响规律。基于Euler-Bernoulli双梁模型,采用Lamb-Oseen涡模型,建立了动力学模型,利用格林函数法求得该强迫振动的稳态响应。结果表明,随着管道直径增加,外激力增加,产生最大力幅值的位置离管道越远;轴向拉力对外部管道的影响较大,对内部管道的影响较小;无因次频率取0.4时,外部管道位移超出允许变形极限,内外管壁发生周期碰撞,易对海洋立管造成损伤。     

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.     

海洋钢悬链线立管振动响应与疲劳预测

涡激振动是引发立管疲劳损伤的关键诱因之一。基于Van Der Pol尾流振子方程，研究了不同长度两端铰接的钢悬链线立管在相同来流流量不同剖面剪切来流作用下的涡激振动响应。采用二阶中心差分法对时域和空间域的耦合方程组进行了求解，并采用雨流计数法对立管的疲劳寿命进行了预测。结果表明，立管振动沿轴向传播呈驻波和行波的混合模式，随立管长度的增加，振动响应由驻波主导转变为行波主导。受剪切来流剖面的影响，立管振动响应呈现多频特性，行波自立管的顶部向底部传播，且其传播速率随来流剪切程度及立管长度而变化。随剪切程度的增强，立管从流体中获得的能量减少，能耗增加，振动位移减少。相同来流剖面时，随着水深的增加，立管疲劳损伤增加；而水深相同时，随来流剪切程度的增加，疲劳损伤逐渐增大。