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.     

金属材料与复合材料海洋立管的三维CFD涡激振动模拟

研究了流固耦合作用下,传统金属海洋立管与复合材料海洋立管的涡激振动特性,并对比了雷诺数Re=7 500时,两种海洋立管的动力响应.利用ANSYS-Transient模块,采用等效模量法构建两种海洋立管模型;利用Fluent模块建立流体场模型,并通过system-coupling模块实现立管和流体场的流固耦合作用.由于两种海洋立管的外径、支撑条件、雷诺数等相同,所以它们的尾涡云图,速度矢量图及升阻力系数特性基本相同.但由于两种海洋立管的材料属性,顶张力等不同,它们的动力特性明显不同.相同流场条件下,复合材料海洋立管具有更大的变形及更小的应力响应.     

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.     

减振器对串联立管涡激振动抑制研究

基于Fluent软件,运用动网格技术及用户自定义接口编程,建立串联立管流固耦合模型,在考虑尾流干涉效应的前提下,分析减振器对串联立管涡激振动的抑制规律,并通过设计实验验证研究结果准确性。结果表明:减振器的存在改变了立管漩涡泄放频率,减振器尾角越小,漩涡泄放频率越小;当减振器尾角小于60°时,减振器对上下游立管的横向受力均有一定的抑制效果,当尾角大于60°时,减振器的涡激振动抑制效果不明显。     

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.     

基于灰色理论的多参数海洋立管涡激振动试验研究

通过模型试验的方法对多参数作用下的海洋立管的涡激振动进行了研究。试验参数包括:立管模型材料、顶张力、边界条件以及流速。模型材料选取了铝(Al)、有机玻璃(PMMA)和硬质塑料(UPVC)三种;流速采用0.2 m/s、0.6 m/s和1 m/s;边界条件采用两端铰接(S-S)和铰接-固接(S-F)两种,顶张力选取为5 N和65 N。通过电测法获得动态应变数据,得到立管的顺流向振动响应、横流向振动响应以及漩涡脱落频率;利用灰色理论分析不同参数对立管涡激振动响应的影响。结果表明,立管材料对立管的振动起着主要影响,各参数对漩涡脱落频率的关联序为r_(01)r_(02)r_(03)r_(04)(r_(01)为材料,r_(02)为流速,r_(03)为边界条件,r04为顶张力);即立管材料、流速与边界条件对漩涡脱落频率影响大,顶张力较其他三个因素影响稍弱。     

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.     

并肩排列深海立管群涡激振动试验研究

在波流联合水槽进行均匀流下5立管群涡激振动试验.立管模型长2.0 m,外流流速范围0.1～0.6 m/s.试验采用5根立管并肩排列,相邻立管以4倍立管直径等间距布置,分析管群的无量纲位移、主导频率、位移轨迹等动力响应,探索耦合干涉效应下并肩排列立管群的涡激振动规律.研究表明:锁振区间内立管横向振动相互制约,位移相近,但...     

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.     

海洋立管涡激振动抑振-俘能装置试验研究

设计了一种海洋立管涡激振动涡轮式抑振-俘能装置,并在波-流联合水槽中对3种不同覆盖率的抑振-俘能装置进行试验研究。通过变化外流流速与装置覆盖率,分析立管的位移均方根、抑振效率、发电量等参数,揭示不同流速与不同覆盖率对装置抑振效率及俘能效率的影响;结合装置发电效率和抑振效率,探索俘能与涡激振动抑制之间的耦合作用机理。研究结果表明：涡轮式抑振-俘能装置可以有效降低立管的振动幅值,在试验约化速度范围内的整体抑振效率高于60%,最大抑振效率可达97.13%;当约化速度满足装置俘能发电的最低限值后,发电量随着约化速度的增加稳步提升;抑振效率对于覆盖率的敏感度较低,抑振-俘能装置的发电效率受约化速度影响较大,在高约化速度下装置不仅可有效抑制涡激振动,还能够达到理想的发电效率,电量最大值时的抑振效率为81.85%。     

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。     

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.     

考虑雷诺相似的串联双立管涡激振动模拟研究

针对物理模型试验的缺点提出一种同时满足重力相似准则和雷诺相似准则的模拟方法。基于此方法采用ANSYS/CFX对不同间距的串联双立管进行了圆柱绕流和涡激振动模拟研究,并从受力系数、涡街发放等角度对模拟结果加以分析。结果表明:在整个间距范围内,下游立管所受涡激升力、脉动拖曳力系数以及响应振幅均明显大于上游立管。当间距为6～12倍管径时,上下游立管两向受力系数及响应振幅比其他间距情况大了约一个数量级;当间距为12倍管径时,两立管的受力系数和响应振幅均最大。当间距小于等于4倍管径时,两立管间无明显涡街产生,下游立管后方涡街以2S模式发放;间距大于等于6倍管径时,上游立管后方涡街以2S模式发放,下游立管后方涡街为2P模式发放;总的来说,在雷诺数1.35×105工况下,以圆柱绕流模拟来代替涡激振动所得结果差距不大,以此作为工程设计依据是安全可靠的。     

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.     

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。     

方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟

为了研究二维刚体方柱的涡激振动和非定常绕流,利用计算流体力学软件Fluent6.0,引入雷诺应力模型求解不可压粘性流体Navier-Stokes方程,将Newmark-β方法的代码嵌入用户自定义函数(UDF)同软件连接来求解方柱的动力响应.用分块的方法建立初始网格,方柱和流场的耦合作用通过Fluent的动网格技术来实现,进行雷诺数从7000到42000范围内的模拟.得到静止方柱的升阻力系数和涡脱频率,其中雷诺数为22000结果与试验一致;同时得到方柱振动的位移和速度时程,以及"频率锁定"、"拍"和锁定段的位移"失谐"现象.     

输电塔钢管构件涡激振动数值模拟

用数值模拟方法对钢管构件涡激振动现象进行研究,分别进行了静止圆管绕流数值模拟以及弹簧支撑单自由度圆管绕流数值模拟.结果表明:静止圆管计算工况雷诺数介于20 000~35 000之间,升力系数幅值以及阻力系数均值的平均值分别为1.427和1.273,与前人试验结果较为吻合;涡街形成的决定性因素是物体后部两个分离剪切层的相互作用;发生涡激振动时,顺风向响应要远小于横风向响应;基于单自由度模型进行动网格分析,给出了最大位移比公式以及线性插值关系式,将二维数值模拟应用于三维钢管构件的涡振疲劳分析.     

涡发生器作用下圆柱涡激振动特性的试验研究

采用三角形涡发生器,选取不同的发生器构型、风偏角及风攻角进行风洞试验.结果表明:涡发生器能够缩短圆柱涡激振动的锁定区间,降低涡激振动的振幅.风偏角和风攻角的选取对控制效果有较大影响,当风攻角为70°时,控制效果最好.即使涡发生器设置在分离点之前距离较远处,也能对边界层起到较好的控制作用.涡发生器推迟了圆柱表面边界层的分离,对流场三维特性的影响表现在降低了圆柱表面风压展向相关性.     

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.