不同频率比时立管两向涡激振动及疲劳分析

考虑四种不同频率比(流向荷载频率/横向荷载频率)情况下,立管两向涡激振动的幅值和疲劳的变化。结果表明：较低频率比且低约化速度条件下,流向自由度对横向振动具有一定的抑制作用;当6.3<约化速度<8.0时,考虑顺流向振动时横向振动幅值明显增加。随着频率比的增加,顺流向振动对横向振动的影响逐渐减弱。横向振动对顺流向振动的影响在四种情况下均较为显著,考虑横向振动时顺流向振动幅值急剧增大。两向自由度涡激振动的疲劳在低频率比时明显高于单自由度时的疲劳;顺流向振动疲劳随着频率比的增大受横向振动的影响越来越明显。     

细长立管两向自由度涡激振动数值研究

采用ANSYS-CFX软件对细长立管的两向自由度涡激振动进行了数值模拟,分析了小变形（A/D=0.07）和大变形（A/D=1）两种条件下的立管涡激振动特性。在小变形条件下,锁定区的顺流向振动和横向振动的幅值比小于非锁定区;在非锁定区,顺流向振动频率是横向振动频率的两倍,而在锁定区两者振动频率相同,等于升力频率。在大变形条件下,锁定区的顺流向振动和横向振动的幅值比明显大于非锁定区;不论在锁定区还是非锁定区,都满足顺流向振动频率是横向振动频率的两倍关系,顺流向振动频率等于拖曳力频率,横向振动频率等于升力频率。     

质量比对刚性圆柱体涡激振动影响的研究

基于CFD方法,开展了质量比对刚性圆柱体涡激振动影响的研究。对低质量比分别为1和2.4和高质量比为7的刚性圆柱体分别进行双自由度涡激振动流固耦合模拟,得到了不同质量比工况下无因次振幅与约化速度之间的相关性,圆柱体的"8"字形运动轨迹以及"差拍"、"相位转换"等现象;初步的研究结果表明,低质量比的模型对应的振动锁振区范围要广于高质量比的模型,产生的横流向最大无因次振幅也较大,涡激振动现象更为显著。另外通过不同质量比对顺、横流向耦合振动影响的分析发现,在质量比为1和2.4时,顺流向振动对横流向振动产生的影响不容忽略,而在质量比为7时,其影响较小。另在涡激振动尾流区,捕捉到了"2S"、"2P"型泻涡发放。     

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。     

考虑流固耦合的大柔性圆柱体涡激振动非线性时域模型

基于流固耦合的涡激升力模型和Morison方程,提出了一个非线性的圆柱体涡激振动时域分析模型。该模型不仅考虑了脉动拖曳力诱发的顺流向涡激振动,而且考虑了横向的流固耦合问题。该模型物理意义清楚,其非线性包括流体阻尼的非线性性质和涡激升力与圆柱体响应的相关性,这些非线性性质是该模型区别于现有涡激振动分析模型的主要特征。分析表明,该模型较好地反映了圆柱体涡激振动的本质,与现有的商业软件吻合较好。     

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。     

剪切来流下柔性圆柱体涡激振动响应试验研究

应用模型试验的方法,深入地研究了柔性圆柱体在剪切来流下的涡激振动响应。试验过程中通过旋转臂架从而形成相对剪切来流。通过测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到圆柱体的涡激振动位移响应。研究结果表明:当折合速度较小时,响应频率会全程参加涡激振动;随着折合速度的上升,响应频率则会间歇性地参加涡激振动。涡激振动响应在横流方向仅存在一个锁定区域,而在顺流方向则存在两个锁定区域,其中第一个锁定区域与横流方向吻合。     

高雷诺数下圆柱顺流向和横向涡激振动分析

本文利用CFD方法,研究了较高雷诺数下圆柱流向与横向耦合涡激振动特性。利用FLUENT软件求解粘性Navier-Stokes方程、圆柱涡激振动的结构动力响应方程,运用动网格技术,实现流固耦合,对圆柱进行了单自由度和两自由度涡激振动的数值模拟,得到了雷诺数为 范围内的圆柱涡激振动的升力系数、阻力系数、振幅比及频率比随约化速度变化的规律,捕捉到涡激流固耦合振动的“锁定”“相位开关”等现象,结果表明在此雷诺数范围内锁定区域对应的折减速度范围为Ur=3~7.5。对比单自由度及两自由度的模拟结果,表明在低质量比情况下,流向的振动会对横向振动产生影响。     

浮力筒自由涡激运动的模型试验研究EI北大核心CSCD

对外径150 mm,长700 mm垂直放置的浮力筒模型开展了自由涡激运动试验研究,测量了浮力筒在不同试验工况下六个自由度的运动参数,并着重对浮力筒顺流向、横向和艏摇运动的运动特性进行了分析。试验中发现,当约化速度较小时浮力筒主要发生顺流向运动而横向和艏摇运动较小且不规则;当约化速度增大到一定程度后,顺流向运动频率是横向运动频率的2倍,此时艏摇运动出现了两个主要运动频率,其中较大的艏摇运动频率等于横向运动频率,因此认为横向运动和艏摇运动的激励力来源相同,即二者存在耦合作用,而且浮力筒的运动轨迹呈现明显的"8"字形。试验中还发现,浮力筒涡激运动的平均拖曳力系数比圆柱绕流的阻力系数增大了约100%。     

浮力筒自由涡激运动的模型试验研究

对外径150 mm,长700 mm垂直放置的浮力筒模型开展了自由涡激运动试验研究,测量了浮力筒在不同试验工况下六个自由度的运动参数,并着重对浮力筒顺流向、横向和艏摇运动的运动特性进行了分析。试验中发现,当约化速度较小时浮力筒主要发生顺流向运动而横向和艏摇运动较小且不规则;当约化速度增大到一定程度后,顺流向运动频率是横向运动频率的2倍,此时艏摇运动出现了两个主要运动频率,其中较大的艏摇运动频率等于横向运动频率,因此认为横向运动和艏摇运动的激励力来源相同,即二者存在耦合作用,而且浮力筒的运动轨迹呈现明显的"8"字形。试验中还发现,浮力筒涡激运动的平均拖曳力系数比圆柱绕流的阻力系数增大了约100%。     

深水立管两向自由度涡激振动的数值分析

对更加符合实际情况的两向自由度涡激振动进行数值分析。研究四种不同质量比(m*=14.45,8.30,3.50和m*=1.87)情况时,流向振动与横向振动幅值和频率之间的关系。结果表明,在大质量比（m*=14.45,8.30）时,流向振动频率基本可以看做横向振动频率的2倍,并且流向振动幅值相对于横向振动幅值来说可以忽略不计,符合现有实验研究结果;当质量比较小（m*=3.50,1.87）时,顺流向振动幅值并不能被忽略,尤其在顺流向处于锁频时。两向振动的主频率基本维持2倍关系,但是除主频率外还具有相同或相似的振动频率。     

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.     

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。     

基于IBM法的低雷诺数下涡激振动高质量比效应的研究

由深圳市赛格广场大厦在低速风场作用下的强烈有感振动事件可知,高质量比系统的振动问题仍较突出。为澄清涡激振动中的高质量比效应,该文采用一种锐利界面浸入边界法,通过C++编程计算了低雷诺数(Re=80~150)流场中,不同高质量比(m*=14.8~280)、阻尼比(ζ=0.0012~0.036)和质量-阻尼比组合m*ζ对涡激振动的影响。结果表明:通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和有效性;在高质量比情况下,Re<100时,结构发生"弱锁定"现象,Re=100~130时,发生传统的"锁定"现象,且发生共振时Re=110,位于锁定区间靠近Re数较小的一侧,当Re=130时,开始摆脱锁定,且升力与振动响应出现"相位突变"现象;m*、ζ对锁定区间的影响并不大,但是质量-阻尼比组合m*ζ相同时,质量比对涡激振动的影响更加显著,即质量比低的结构系统发生涡激振动时的锁定区间更广(Re=90~140),m*=14.8的高质量比系统比m*=148的较高质量比系统提高了1.67倍,而且共振时对应的雷诺数也减小;发生共振时,尾涡脱落均为"2S"模态,最大振幅均为0.5D左右,无太大变化,即高质量比和较高质量比对振幅和锁定区间的影响并不大,但是随着ζ的增加,振幅比Y逐渐减小,振动受到了抑制。     

大倾角附螺旋列板倾斜圆柱涡激振动抑制分析

在室内拖曳水池中开展大长径比（L/D=350）,小质量比（m*=1.90）和大倾角（a=45 °）倾斜柔性圆柱涡激振动（VIV）抑制实验,观测螺旋列板对柔性圆柱VIV的抑制效果,并分析倾斜抑制圆柱涡激振动响应特性。选取海洋工程领域最优螺距/高度比组合（17.5D/0.25D）。通过拖车拖动模拟均匀来流,拖车速度范围为0.05 m/s~1.0 m/s,间隔为0.05 m/s,对应的雷诺数约为Re=800~16000。采用应变传感器测量结构横流向与顺流向的振动信息,并根据模态法处理实验数据。实验结果表明:螺旋列板对大倾角倾斜柔性圆柱VIV响应幅值和结构应变抑制效果不理想;同时观测到倾斜抑制圆柱涡激振动存在多模态的振动特征;并发现不相关原则（IP）不适用于倾斜抑制圆柱的涡激振动。     

基于离散点涡的双自由度涡激振动尾流振子模型研究

建立了一种新的预报双自由度圆柱涡激振动响应的尾流振子模型,提出了以近壁点涡强度为变量描述尾流振子方程.通过势流理论推导出了结构所受流体流向和横向水动力与点涡强度的量化关系,从而得到了结构振子和流体振子的耦合方程组.使用该模型对圆柱的双自由度涡激振动问题进行了数值计算,得到了结构流向和横向的响应振幅及频率的变化规律.通过与实验结果进行对比,表明模型预测的涡激共振区、锁定频率和“8”字形运动轨迹等结果与实验观测结果基本一致.     

细长柔性立管涡激振动的数值模拟研究

应用基于浸入边界法（IBM）的三维水动力并行计算程序CgLES_IBM,并结合隐式结构动力计算程序X-code,研究了低雷诺数条件下细长柔性立管的涡激振动问题。研究发现:立管的振动体现出明显的驻波振动特征。立管在顺流向主要激发奇数阶模态,而横流向处于激发状态模态的奇偶性取决于涡激振动卓越频率和立管固有频率之间的关系。涡激振动的频谱呈现为单谱模式,所有的振动能量都集中在一个窄频段上,波节处能量较弱,波腹处能量较强。波节处,时均能量传递系数为负值,涡激振动处于抑制状态,相邻波节之间,时均能量传递系数为正值,并沿展向呈现出“马鞍形”分布,涡激振动处于激发状态。柔性立管涡激振动的泻涡模式呈现出三维特性,近尾流区为2S模式,但由于倾斜泻涡造成尾涡沿展向移动,尾涡模式随后变为2P₀模式,随着较弱漩涡的耗散,在远尾流区,尾涡模式又回到2S模式。