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。     

倾斜柔性抑制圆柱的涡激振动特性

海洋工程中圆柱结构轴向与来流常存在一定倾斜角度,倾斜状态下柔性圆柱涡激振动特性十分复杂,至今仍缺乏倾斜圆柱涡激振动抑制的相关研究.在室内拖曳水池中开展了长度5.6m、倾角30°、长径比350的倾斜柔性圆柱涡激振动抑制实验,采用应变片测量结构顺向流与横向流的应变信息,运用模态分析对应变数据进行分析处理.通过附带螺旋列板装置的抑制圆柱与光滑圆柱实验结果对比,发现螺旋列板对倾斜圆柱涡激振动有一定抑制作用,然而对响应幅值、控制模态等抑制效果并不理想.     

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.     

波流作用下新型立管大水槽试验研究

针对一种新型自由站立式防台风隔水立管系统,在3种不同浮筒净浮力条件下,通过几何比尺1:21的大水槽物理模型试验,研究了纯水流以及波流联合作用下隔水立管整体的涡激振动和运动轨迹情况,统计了不同测点顺流向位移的平均值和横流向位移的均方根,并对比了纯水流和波流联合工况下立管涡激响应的差异性.研究表明,浮筒净浮力对新型立管的固...     

高雷诺数下双圆柱绕流诱发振动的数值模拟

基于表面涡方法研究了不同间隙比及归一化阻尼参数下,串列和并列双圆柱的流体诱导振动问题,并计算了圆柱的振动响应、流体力、振动频率等.结果表明:圆柱为刚性时的计算模拟结果与相关文献的实验结果吻合良好;在文中的研究条件下,串列双弹性圆柱具有屏蔽流的特征,涡脱落频率比刚性圆柱的大,其值主要取决于归一化阻尼而非间隙比;流体从并列双弹性圆柱分离的涡是对称的,与并列双刚性圆柱相比其平均力系数略小,但由于流体诱导振动造成的脉动力系数较大,故流体诱导振动对并列圆柱的动态响应有重要的影响.研究结果为亚临界雷诺数范围内热交换器管束的复杂流体诱导振动等问题提供了一种可能的计算方法.     

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。     

一种基于表面涡方法的流体诱导管束振动计算模型

为了研究热交换器中管束的流体诱导振动问题,提出了一种基于表面涡方法的圆柱绕流计算模型,包括分离点计算模型和流固耦合模型.利用这一模型,分别模拟了Re为2.67×104时单个刚性圆柱和弹性圆柱的流体诱导振动问题,并计算了圆柱的振动响应、流体力、振动频率和涡云图等.计算结果反映了流体绕刚性圆柱流动的主要特征,以及弹性圆柱流体诱导振动的限幅和非线性(共振区)特性,所得到的平均阻力系数、升力系数、斯德鲁哈尔频率和最大振动幅值与相关文献中的实验结果具有很好的一致性.该模型具有简便、快捷以及能够对亚临界雷诺数下的流体诱导振动问题进行计算等优点,为多圆柱流体诱导振动问题提供了一种新的计算模型.     

圆柱壳高频弯曲振动的能量有限元分析

为了利用能量有限元方法得到圆柱壳体任意一点的高频振动响应,根据薄壳理论和能量平衡关系,推导了圆柱壳弯曲振动能量密度的控制方程,并运用有限元方法对圆柱壳弯曲振动能量密度的控制方程进行了求解.计算了3种不同激励下圆柱壳的能量密度分布,并对能量有限元方法和统计能量方法的计算结果进行了比较.有限元方法的分析表明,使用能量有限元方法能够获得更详细的结构振动响应信息,而用统计能量法只能得到整个圆柱壳体的平均能量信息,推导得出的能量密度方程与梁的能量密度方程类似,只适用于计算圆柱壳高频轴对称弯曲的振动响应.     

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.     

受弹性约束的双层圆柱壳的振动分析

本文采用传递矩阵法对受弹性约束的双层圆柱壳进行自由振动和稳态响应研究,并运用复阻尼理论分析材料内阻尼对结构响应的影响。本文所用的分析方法对于承受各种荷载作用而只有任意齐次边界条件的圆柱壳结构都能适用,并可应用于求解多层圆柱壳的振动问题。     

二维不可压缩粘性流体绕钝体流动的数值模拟

钝体绕流和流至振动问题是流体力学的经典研究课题之一.钝体的尾迹流动伴随着复杂的分离和漩涡脱落现象.绕流作用在物体上的纵向和横向流体动力载荷会诱发弹性结构的振动响应.就此,介绍了钝物体绕流的基本特征和典型二维不可压缩粘性流体的圆柱绕流特性.     

厚壁圆柱结构振动

对于长而厚的圆柱结构，由于其巨大的应用潜力以及日益严格的使用要求，近年来发展了关于厚壁圆柱结构振动与被动振动控制相关问题的研究。圆柱结构振动研究的重要步骤是其振动模态特性的确定。模态信息对于动载荷激励结构的设计与振动控制具有重要的作用。目前关于圆柱结构动态响应的研究都基于壳理论，     

黏性流场中圆柱壳结构的振动能量流输入特性

以周向分布线力作用下,浸没在黏性流场中的无限长弹性薄圆柱壳为研究对象,分析流体黏性对黏性流场-圆柱壳耦合系统的振动能量流输入的影响规律,考虑周向分布线力作用下,薄圆柱壳壳体与由有黏、可压缩流体组成的流场之间的相互作用.首先采用Flügge薄壳理论分析壳体结构振动,然后把线性化的连续性方程、线性处理后的纳维-斯托克斯方程和小振幅波动下的状态方程结合起来得到了黏性流场中的声波波动方程,进而根据声场与圆柱壳外表面的运动协调条件推导得到耦合系统的声振耦合方程,提出了相应的数值计算方法,并与理想流体中的特性作了对比,研究了流体黏性对黏性流场-圆柱壳耦合系统的振动能量流输入的影响规律,为水下结构的减震降噪提供理论依据.     

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.     

流向电磁力作用下圆柱绕流对流换热的特性研究

以往对对流换热的研究主要从传热学和来流速度角度进行,鲜有对电磁力作用下圆柱绕流对流换热效率进行的研究,而这些研究恰恰关系到对流传热效率的提高.基于对流换热的能量方程和电磁流体控制的基本控制方程,利用有限元法对电磁力控制绕流圆柱对流换热特性进行了数值分析.研究结果表明:在圆柱周围施加流向电磁力后,流向电磁力的作用参数0N≤0.8时,传热功率随电磁力增大而增大;当0.8N≤1.8时,传热功率随着电磁力增大而变小;N1.8时,传热功率随电磁力增大不断变大.通过分析流体的流动情况,发现产生这种结果是由于随着电磁力增大,圆柱周围流体流速增大的同时,涡街逐渐被抑制,分离点不断后移,致使对流换热功率出现这样的变化规律.     

地铁曲线段Vanguard扣件减振效果分析

为研究Vanguard扣件在地铁曲线段的减振效果,以北京地铁5号线某曲线段为例,分别对DTVI_2扣件和Vanguard扣件下列车运行引起的地表振动响应进行现场测试.并通过建立相应的三维动力学数值模型对比分析了两种扣件在直线段和曲线段的地表动力响应特性和衰减规律.通过分析振动响应峰值、最大垂向计权Z振级及插入损失,研究了Vanguard扣件的减振效果.根据现场实测以及数值分析结果可知:列车运行引起的地铁曲线段地表动力响应高于直线段,圆曲线和缓和曲线的动力响应特性类似且量值接近;列车运行引起的地表横向及垂向动力响应随距线路中心线横向距离的增加而呈起伏式衰减;列车运行于DTVI_2扣件和Vanguard扣件的轨道上时引起的地表垂向振动响应显著的频段分别位于60Hz和30Hz附近;Vanguard扣件减振效果显著,对曲线段水平向振动响应的减振性能良好.     

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.     

薄壁圆柱壳旋转波动振动分析

应用Donnell's简化壳理论,在考虑阻尼的情况下,用复分析的方法研究了旋转的薄壁悬臂圆柱壳在法向激振力作用下的线性波动振动.研究结果表明,使用复分析方法可以很好地求解圆柱壳的旋转波动振动问题.解的前行波、后行波实部为零可用来确定产生共振的频率及转速,而虚部可确定响应值大小.旋转的薄壁圆柱壳在线性振动时,有两个共振频率.波动共振响应曲线为拍,其幅值大小与波动模态阻尼比有关,一般后行波响应幅值要大于前行波响应幅值.     

薄壁圆柱壳的动态优化设计方法

为了降低薄壁圆柱壳模态共振条件下的振动幅值与振动应力水平以及提高抗高周疲劳能力,研究薄壁圆柱壳的不同厚度和材料参数对其振动应力的影响,并采用有限元法计算薄壁圆柱壳关键位置节点处的动应力和振动响应.研究结果表明,薄壁圆柱壳存在最优的厚度值,其厚度增加到一定程度可以有效地降低薄壁圆柱壳的动应力.然而,改变薄壁圆柱壳的材料参数对其振动应力的影响较小.     

渤海海洋平台不规则锥体抗冰振性能研究

海洋平台桩腿外侧立管结构在海冰载荷直接作用下易发生强烈冰激振动响应,继而导致立管结构低周疲劳断裂破坏。本文提出了应用不规则锥体作为降低立管结构强烈冰激振动的方法,通过现场振动监测数据及数值计算分析表明,在工程实践应用中不规则锥体有效地降低了立管结构的冰激振动响应,避免了立管结构低周疲劳失效问题,从而也为平台结构外侧立管结构的抗冰振提供了一种参考方法。