柔性立管涡激振动抑制装置试验研究

为深入研究带螺旋列板的柔性立管涡激振动响应特性,进行立管螺旋列板抑制装置的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生来流测得应变数据,基于模态叠加法获得立管位移响应等参数。分析螺旋列板抑制装置的螺距变化,系统研究不同螺旋列板状态下立管应变、位移响应等参数。结果表明,流向响应与横向响应同样重要不可忽略;裸管响应特性与带螺旋列板的立管响应特性区别较大,响应特性与螺旋列板几何形状紧密相关。     

45°大倾角倾斜柔性圆柱涡激振动不相关原则实验验证

涡激振动是诱发海洋管道与浮式平台系泊缆线等细长柔性圆柱结构疲劳损伤的重要因素,已有研究大多关注结构轴向与来流垂直的情况,实际的海洋工程中,圆柱结构轴向与来流并不完全垂直,存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况,倾斜圆柱涡激振动的不相关原则被提出,即假定倾斜圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而,较大倾角条件下不相关原则的正确与否仍未知。为了论证大倾角倾斜柔性圆柱涡激振动不相关原则,开展了长径比为350,倾角为45°的倾斜柔性圆柱涡激振动实验,采用应变传感器测量结构应变信息,运用模态分析法对实验数据进行处理。通过大倾角倾斜圆柱与垂直圆柱的实验结果对比,发现在控制模态转化区域,倾斜圆柱更容易被激发高阶模态,同时倾斜圆柱与垂直圆柱在测点处的应变和位移差异较大,并均出现高频特征。最终得出了较大倾角状态下倾斜柔性圆柱涡激振动不相关原则不成立的结论。     

并列刚性双圆柱流激振动风洞试验研究EI北大核心CSCD

通过风洞试验研究了弹性支撑条件下并列刚性双圆柱的流激振动,试验雷诺数范围Re=3200~36200。圆柱间距比S/D=1.5~4.0,其中S为两圆柱圆心间距,D为圆柱直径。结果表明:随着间距的变化,并列双圆柱的振动幅值呈现涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)和尾流耦合涡激振动(wake-coupled vortex-induced vibration,WCVIV)模式。WCVIV发生在间距比S/D≤3.0时,此时双圆柱之间相互干涉作用较强,双圆柱振动幅值响应呈现不一致性,振动位移之间表现为同相位或反相位耦合特征,圆柱尾流场对称点的涡脱频率也不相同,尾流呈现不对称性。而VIV发生在间距比S/D=3.5~4.0时,此时双圆柱相互独立,其振动幅值和涡脱频率几乎相同,尾流的不对称现象消失,振动位移之间相位差不再近似等于恒定值而是随时间周期性的“划动”。无论发生WCVIV还是VIV,振动频率的主频均锁定于1倍的固有频率。     

圆柱结构涡激振动拖曳水池实验研究

柔性圆柱涡激振动特性已得到人们广泛关注,然而横流向与顺流向振动耦合问题仍有待进一步研究。设计了柔性圆柱涡激振动拖曳水池模型实验,圆柱模型的长径比为195.5、质量比为1.82,实验观测了圆柱结构横流向、顺流向涡激振动特性,并分析了横流向与顺流向两个方向涡激振动的耦合现象。通过应变传感器测量结构振动信息,利用模态分析法对实验数据进行处理,实验发现横流向与顺流向涡激振动耦合现象显著,特别是不同测点处的运动轨迹出现了"8字形"、倒置的"泪滴形"、"口唇形"等多种复杂形式。     

低雷诺数下串联双圆柱涡激振动机理的数值研究

利用有限元数值方法求解不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程,结合任意拉格朗日-欧拉（ALE）动网格方法,对低雷诺数下（Re = 150）等直径串联圆柱的涡激振动问题进行了数值模拟研究。其中上游圆柱固定,下游圆柱在弹簧和阻尼作用下允许同时发生顺流向和横流向的运动。在约化速度Ur = 3.0 ~ 12.0的范围内（阻尼比ξ = 0.007）研究了两圆柱圆心间距比（LX / D = 3.0、5.0、8.0）及圆柱质量比（m* = 5.0、10.0、20.0）对下游圆柱的运动响应及受力的影响。数值结果表明,圆柱间距比的变化会导致锁定区间的变化,进而影响到圆柱涡激振动的位移响应和受力特性。这些方面都与尾流区涡旋脱落模式密切相关,体现了双圆柱间干涉作用对涡激振动的影响。进一步的研究表明,圆柱质量比的变化对以约化速度表征的锁定区间、运动响应和尾流模式等都有一定的影响作用。     

近平板圆柱涡激振动风洞试验研究EI北大核心CSCD

此次研究对水平板附近低质量比(m*=43.6)圆柱的涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)问题开展了风洞试验,其中圆柱与平板的间隙范围为0≤S/D≤2.5。结果表明:当S/D=0时,随着约化速度U*的增加,圆柱始终保持静止;当0相似文献   

利用延迟反馈控制柔性圆柱涡激振动数值研究EI北大核心CSCD

以三维细长柔性圆柱为研究对象,基于结构梁振动模型和尾流振子模型,采用二阶中心有限差分方法求解耦合方程,研究延迟反馈控制作用下柔性圆柱的涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)响应特性。研究发现:柔性圆柱的振动幅值和振动频率会随着延迟时间τ的增加呈现周期性变化,不同的延迟时间τ耦合不同的延迟增益k_(d),可以实现柔性圆柱不同振动幅值和振动频率的控制;在耦合延迟增益(k_(d))符号相反时,变化曲线会有半个周期的相位差;且延迟时间τ并不能改变振幅峰值,其大小只与延迟增益k_(d)有关。理论分析证明:当τ不断增加时,振动频率f和波数k会趋向于定值。该研究提出的延迟反馈方法能够有效控制柔性圆柱的涡激振动,为海洋立管等柔性钝体的振动控制提供新的方法和思路。     

正方形顺排排列四圆柱流致振动响应研究

对间距比s/D=5.0正方形顺排排列四圆柱流致振动进行了数值模拟研究,圆柱仅横流向振动,雷诺数为Re=100,折合流速为U_r=2.0~50.0。研究发现,上游两圆柱的响应与单圆柱涡激振动相似,呈现出明显的初始分支和下端分支。上游两圆柱的振幅均在折合流速U_r=4.4时达到最大值Y_(max)/D=0.56,与单圆柱涡激振动最大振幅Y_(max)/D=0.57相近。下游两圆柱的振幅在折合流速U_r=7.9时达到最大值Y_(max)/D=0.997,比单圆柱涡激振动最大振幅增大了74.8%。正方形顺排排列四圆柱流致振动响应中出现了三个不对称区间,分别为第一不对称区间4.5U_r5.9、第二不对称区间6.9U_r7.2和第三不对称区间U_r10.5。圆柱不对称的振动响应特性和圆柱间隙流稳定偏斜有关。     

两类串列圆柱涡激振动的质量比效应

为进一步澄清两类串列双圆柱(上、下游圆柱均可做顺流向和横流向的两自由度振动,上游圆柱静止、仅下游圆柱可作两自由度振动)尾流致涡激振动的质量比效应,在雷诺数Re=100、中等间距(间距比P/D=4,P为两个圆柱的柱心间距,D为圆柱直径)、3种质量比(m*=2,10,20)条件下,开展了串列双圆柱涡激振动的数值模拟研究,重...     

刚性耦合三圆柱流致振动特性和机制EI北大核心CSCD

采用迭代式浸入边界法对刚性耦合三圆柱的流致振动进行了数值模拟研究。三圆柱按照等边三角形排列,上游两个并排圆柱,下游一个圆柱。圆柱间距比为P/D=1.0~4.0,雷诺数为Re=100,质量比为m=2,折合流速为U_(r)=3~30。通过研究圆柱的振幅、频率和流体力随折合流速的变化规律,发现了两种不同的振动模式,即小间距比条件(P/D=1.0)下的驰振模式和中、大间距比条件(P/D=1.6~4.0)下的涡激振动模式。而涡激振动模式在不同的间距比条件下又具有单锁定区间(P/D=1.6)和双锁定区间(P/D=2.5~4.0)两种不同振动特征。进一步分析尾流模式,发现第一锁定区间(含单锁定区间)内的振动响应由剪切层重附着机制激发,而第二锁定区间内的振动响应由交替尾涡泄放机制激发。     

行波壁抑制圆柱涡激振动的数值模拟研究

采用CFD数值模拟方法完成了圆柱绕流-涡激振动-行波壁流动控制全过程的数值模拟,重点研究行波壁流动控制方法对低雷诺数下两自由度弹性支撑单圆柱涡激振动的抑制作用。详细分析各阶段圆柱横向和流向位移、质心运动轨迹、升力和阻力系数等随频率比的变化。结果表明:行波壁圆柱的波谷处可以产生一系列稳定的随行波壁运动的小尺度旋涡,有效抑制圆柱表面分离涡的产生,达到消除圆柱绕流尾迹和抑制涡激振动的目的;在计算初始和中途启动的行波壁流动控制方法显著抑制了圆柱横向和流向振动、降低了圆柱升力系数脉动值和阻力系数均值,但阻力系数脉动值则明显增大。     

圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合模型研究

基于尾流振子模型对刚性圆柱体在横流以及顺流方向涡激振动耦合模型进行了研究。首先建立了横流以及顺流方向考虑结构几何非线性的结构振子以及尾流振子模型,其次基于二阶精度中心差分格式对模型进行先离散后迭代求解,再次通过与他人实验结果进行对比验证了该数值模型的可靠性,最后对不同质量比、不同结构阻尼比以及不同几何非线性系数下圆柱体涡激振动响应振动幅值以及振动轨迹进行了分析。分析结果表明:随着质量比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值均呈下降趋势,锁定区间宽度逐渐变窄。随着结构阻尼比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值同样呈下降趋势,而锁定区间宽度逐渐变宽。随着折合速度的增加,结构振动轨迹依次出现斜"8"字形、"月牙"形以及正"8"字形。随着几何非线性系数的增加,横流以及顺流方向振动幅值从上分支进入低分支时的位移突降现象会变得越来越明显。     

基于实验的浮式圆柱体涡激运动研究

为研究浮式圆柱体在均匀流下涡激运动响应,对其进行了水槽模型实验研究。测试了约化速度自1.3~10.2范围内的有、无螺旋侧板圆柱的运动响应,从响应幅值、涡泄频率等多个角度出发,分析了其涡激运动的关键特征。研究表明:裸圆柱在约化速度5.5~8之间发生锁定现象,增加螺旋侧板后抑制涡激运动效果显著,且无明显锁定现象;流固耦合作用下,涡激运动横荡频率不再符合斯托哈尔频率变化规律。     

深海输油管用聚氨酯涡激减振装置

合成了耐海洋环境聚氨酯材料,设计了模具,探讨了成型工艺,制造了一种新型减振螺旋列板,参数为螺距17.5D、高度0.25D、螺头数3。通过海上涡激振动拖曳试验表明,涡激振动抑制效率均在80%以上,最高可达到89.0%,达到了国际先进水平。     

Two-dimensional vortex-induced vibration suppression through the cylinder transverse linear/nonlinear velocity feedback

Suppressing vortex-induced vibration (VIV) has recently attracted numerous researchers due to its practical significance in many engineering applications. Most of the previous studies have focused on a passive or active flow control. A structurally active control approach to mitigate a two-dimensional, nonlinear coupled, cross-flow/in-line VIV has not been well studied. This paper presents a reduced-order fluid-structure dynamic model and combined analytical–numerical solutions for the efficient suppression of two-dimensional VIV of a flexibly mounted circular cylinder in uniform flows. The theoretical model is based on the use of coupled Duffing–Rayleigh oscillators with three variables describing the cylinder cross-flow/in-line displacements and the strength of the fluid vortex circulation in the cylinder wake. These equations of fluid-structure motions contain geometric and hydrodynamic nonlinearities. Closed-loop linear and nonlinear velocity feedback controllers are implemented in the transverse direction governing the larger cross-flow response than the associated in-line counterpart. Approximated analytical expressions are derived by using the harmonic balance to explicitly capture the system nonlinear dynamic features and the effects of key dimensionless parameters. Parametric investigations are carried out to evaluate the linear versus nonlinear controller performance in terms of the maximum response suppression capability and the power requirement in a wide range of reduced flow velocities, mass ratios, and control gains. Over the main lock-in resonance region with coupled cross-flow/in-line responses, the linear controller is found to be more efficient in suppressing the two-dimensional VIV by also modifying the system frequencies and phase relationships. Nevertheless, based on the power comparison, the nonlinear control is superior to the linear control for very small targeted controlled amplitudes of a very low-mass cylinder. These active control strategies may be further applied to the multimode VIV suppression of a long flexible cylinder with multi degrees of freedom.     

水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟

西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥,下部结构采用双圆柱桥墩。2018年7月,在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。实测表明:桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振,横桥向为随机微振动;顺桥向最大加速度约为0.08 m/s2,梁端最大位移约为1.56 mm。基于一阶纵向振动模态参数,将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系,在2 m/s~10 m/s流速范围内(折减流速U_r=1.69~8.45、雷诺数Re=2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟,得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正,得到了墩顶位移随流速变化的关系。结果表明:上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用,在3 m/s~6 m/s流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。在考虑三维修正后,ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。随着阻尼比ζ的增加,涡振最大振幅变小,锁定区间基本不变。     

基于实验的圆柱体流固耦合升力谱模型研究

基于均匀流场的弹性圆柱体涡激振动实验,提出了一个考虑流固耦合的涡激升力谱模型。该升力模型采用了Webull 分布模型,以流速、约化速度、圆柱体直径和圆柱体固有频率为模型参数,通过引入圆柱体固有频率来考虑流固耦合的影响,避免了时域模型中直接计算圆柱体的顺流向振动响应问题。与实验结果比较表明,该模型可用于均匀流场的涡激振动预测。     

考虑附属管的实尺寸钻井隔水管系统涡激振动二维数值模拟研究

实际钻井隔水管通常含6根附属管线,近期研究表明,实际隔水管外挂的附属管线对主管有一定的流动控制效果,它是否有涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)抑制作用亟待研究,针对这一问题开展数值模拟研究。基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程,结合k-ω湍流模型,采用二次开发的嵌入多圆柱运动求解模块的OpenFOAM求解器,对不可压缩流体进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)求解,再耦合结构动力学模型,进行流固耦合求解。研究了亚临界区雷诺数为20000~85000、典型约化速度为3~12、来流攻角为0°~330°的实尺寸钻井隔水管系统的涡激振动响应。结果表明,附属管对钻井隔水管整体的涡激振动具有抑制作用,抑制效果与来流攻角和约化速度密切相关,当来流攻角为210°和330°时抑制效果最好。隔水管系统的横流向涡激振动较为剧烈时功率谱有峰值较大的唯一主频,此时主频接近于隔水管系统的固有频率。实尺寸钻井隔水管系统的涡激振动运动轨迹有多种形式,如雨滴形、倾斜倒立雨滴形、倾斜非对称“8”字形和近似椭圆形等。     

玻璃纤维增强聚合物复合材料筋与工程水泥基复合材料黏结性能

为了研究玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料筋和工程水泥基复合材料（ECC）黏结性能的影响因素,对42个GFRP/ECC试件进行了拉拔试验,分析了GFRP复合材料筋表面形式、直径、ECC基体强度及保护层厚度等因素对GFRP复合材料筋与ECC基体黏结性能的影响。结果表明:GFRP/ECC试件的破坏形式主要有拔出破坏、筋剥离剪切破坏、劈裂破坏三种形式。表面带肋GFRP复合材料筋黏结强度比光滑GFRP复合材料筋高约66%;当ECC保护层厚度由1.5D（D为GFRP筋直径）增大至4D时,GFRP/ECC黏结强度提高了约58%;当GFRP复合材料筋直径为12~18 mm时,GFRP/ECC黏结强度随着GFRP复合材料筋直径的增大而降低;ECC强度由33.7 MPa增大至73.3 MPa时,GFRP/ECC黏结强度增大约3倍。增加GFRP复合材料筋表面形式复杂程度,或一定程度上提高ECC基体保护层厚度、提高ECC强度等级,有助于提高GFRP复合材料筋与ECC的黏结强度。