变攻角双圆柱涡激振动响应研究

为了研究双圆柱在变攻角下的涡激振动机理,基于CFD (Computational Fluid Dynamics)耦合动力学及嵌套网格方法,建立了双自由度圆柱体涡激振动的高保真数值模型。通过与国内外实验数据对比,验证了数值模型及程序的准确性。然后,对雷诺数Re=0～8 000、约化速度U_r=2～13、来流攻角θ=0°～90°下圆柱体的振动响应、流体力特性、尾流模式开展了研究。仿真结果表明:当约化速度U_r=2～3时,随着来流攻角增加,上下游柱体横向位移差不断增大,柱体尾流模式经历了单钝体、2S(双单涡模式)、2S(同相同步或反相同步模式)的演变过程,此时柱体振幅较小;当U_r=4～8时,上下游柱体进入锁定区间,振幅均达到最大。与大攻角(θ=60°～90°)不同,由于小攻角下(θ=0°～30°)柱间存在较强的涡融合效应,相应的振幅较大些。特别的,受柱间屏蔽作用控制,小攻角下柱体最大振幅开始于更大的约化速度;当U_r=9～13时,大攻角下上下游柱体均脱离锁定区间,振幅与单圆柱趋于一致。相反,小攻角下柱体振动频率接近漩涡脱落频率,加之上游柱体尾流的单边促进作用,导致上下游柱体振幅一直处于较大值。研究结果可为相关海洋工程设计提供参考。     

上游圆柱固定条件下串列三圆柱涡激振动响应和尾流特性

应用基于嵌入式迭代浸入边界法对雷诺数Re=100下串列三圆柱涡激振动进行了数值模拟,其中上游圆柱固定不动,中游和下游圆柱仅作横向振动。三圆柱间距相同,间距比L~*= 1.2、2.0和5.0,折合流速U_r=3.0-25.0,质量比m~*=2.0。研究发现,各间距比下,串列三圆柱存在强烈的相互作用,中游和下游圆柱的振幅明显大于单圆柱涡激振动的情况。随着L~*的增大,圆柱振幅整体上减小,除个别工况外,下游圆柱的振幅均大于中游圆柱的情况。当间距比较小(L~*=1.2、2.0)时,St数随折合流速的增加而缓慢减小;当间距比较大(L~*=5.0)时,St数几乎不再随折合流速变化,固定在St=0.15上。对尾流的研究发现,当振幅较小时,上游圆柱的剪切层将三圆柱包裹在一起,尾流与绕流时相似,表现为经典的卡门涡街;当振幅较大时,上游圆柱的旋涡/剪切层撞击/重附着于下游圆柱上,圆柱之间存在强烈的相互作用,尾流表现为并排的两列旋涡。     

基于CFD方法的变张力柔性圆柱涡激振动数值模拟

在实际海洋工程中,细长柔性结构物的涡激振动问题广受关注。该文基于切片模型,采用课题组基于开源CFD求解器OpenFOAM自主开发的,面向柔性立管涡激振动问题的viv-FOAM-SJTU求解器,对变张力作用下柔性圆柱涡激振动问题进行数值模拟,分别计算在恒定张力(工况1)及以一阶(工况2)和二阶(工况3)固有频率变化的轴向张力作用下,柔性圆柱涡激振动响应的变化。计算结果与试验吻合良好,验证了求解器的准确性。结果表明,变张力作用显著增大了结构位移响应,相比于工况1,工况2增幅约1倍,工况3增幅约25%。工况3的主振模态由一阶提升至三阶。变张力的作用使得圆柱出现多频率振动特性,体现出"和频"成分。从相图角度来看,圆柱的多频率周期振动特性明显。     

振荡流下细长柔性圆柱涡激振动数值分析

涡激振动是造成立管疲劳破坏的最主要原因之一。目前,多数柔性圆柱涡激振动的数值模拟与模型试验,都是基于均匀流、剪切流和阶梯流等稳定流作用下,而振荡流作用下的柔性圆柱涡激振动研究相对较少。实际远洋深海情况下,细长柔性立管所处的海洋环境更为复杂,因而有必要深入研究复杂流场作用下的柔性圆柱涡激振动现象。该文采用切片法并基于开源Open FOAM平台开发的细长柔性立管流固耦合求解器viv-FOAM-SJTU,进行振荡流作用下细长柔性圆柱的涡激振动数值模拟。该文主要研究不同振荡流周期对细长柔性圆柱涡激振动的影响。数值模拟结果表明振荡周期与柔性圆柱涡激振动半振荡周期内的"锁定"区域大小密切相关,同时也观察到了间歇性涡激振动,模态跃迁等现象以及涡激振动的产生、锁定和消亡过程。     

不等直径串列圆柱绕流大涡模拟

为研究背负式海底管线中增设的小直径附属管线对主管线的水动力影响,将大涡模拟中经典Smagorinsky亚格子模型与特征线算子分裂有限元法结合,并引入出口对流边界条件,完善了基于特征线算子分裂有限元的大涡模拟方法。通过自编程序数值模拟Re=1 000的单圆柱绕流,计算结果与相关文献吻合较好,验证了该算法计算圆柱绕流的有效性,并分析了Re=1 000时不同直径比、间距比情况下的串列双圆柱绕流,根据流场的不同涡脱落形态及两圆柱平均阻力系数、升力系数随直径比、间距比变化的规律得到了不同直径比条件下的临界间距范围。达到临界间距后,流场由单一涡脱落状态转变为双涡旋脱落状态。最后分析了两圆柱平均阻力系数及升力系数在临界间距后急剧增加的原因,为背负式海底管线的布局优化提供了理论依据。     

海洋隔水管涡激振动的三维数值模拟研究

流体场采用k-ω湍流模型进行三维CFD数值模拟,固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模拟,通过一种新的方法实现流-固耦合交界面的无缝数据交换,参考Lehn(2003)长径比为482的模型实验完成隔水管流向与横向涡激振动的三维数值模拟。模拟结果与实验结果吻合良好,都反映了多阶振动模态特性。引入激发速度解释了多阶振动模态的现象。进一步分析表明,大长径比柔性隔水管发生涡激振动时流场尾流区涡的脱落呈现多种涡结构模式,尾涡动力特性在不同截面的变化体现出明显的三维特征。同时隔水管振动时出现非对称弯曲大变形现象,运动轨迹呈现变形的8字形。研究同时表明,顺流向的振动响应不可忽略。     

利用分离盘控制隔水管涡激振动的数值模拟

涡激振动是导致深海隔水管疲劳失效的重要因素.为有效控制隔水管涡激振动,提出了利用分离盘控制涡激振动的方法.对加装0.25～2.0倍隔水管直径的分离盘后的隔水管流动进行了二维数值模拟.研究了亚临界状态下各种模型旋涡脱落的流场结构、脱落模态、隔水管升阻力系数和旋涡泄放频率的变化特征.结果表明:分离盘加装前与经典的实验和计算结果吻合很好;不同尺寸的分离盘对隔水管涡激振动控制效果具有明显差异;当分离盘的长度为1.0至1.5倍的隔水管直径时,平均阻力系数可以减小20%,尾迹涡街的频率也有了较大的减小,达到控制涡激振动的最优效果.     

柔性分离盘抑制圆柱涡激振动的风洞试验

该文利用附属柔性分离盘对圆柱涡激振动(VIV)控制问题进行了风洞试验研究。针对弹性支撑的圆柱及不同长度柔性分离盘的试验模型,在雷诺数7 500-40 000情况下,测定不同约化速度(3.5-18.7)下的振动瞬态位移。结果表明:柔性分离盘长度(L)/圆柱直径(D)比为0.6、0.8和1三种圆柱的横向无因次均方根振幅远小于单圆柱,涡激振动抑制效果很好,均在77.6%以上,其中L=0.8D的圆柱抑制效果最佳,几乎无振动;而L=1.2D和1.5D的圆柱反而出现振动增强,约4.5%和9%。对比单圆柱的共振区,附属柔性分离盘的圆柱共振区在约化速度上更靠后且范围更大。     

针对圆柱涡激振动问题的智能流动控制

近些年来,机器学习的蓬勃发展为主动流动控制提供了许多新颖的研究思路。该文将深度强化学习这一半监督式的机器学习方法应用到圆柱涡激振动这一经典问题中,构建了以旋转为激励方式,以尾流速度提供反馈信号的闭环控制回路,以期实现抑制振动的目标。该文以格子Boltzmann方法为核心,求解器模拟主动控制下的非定常流动,并辅以浸没边界求解模块,从而实现流场的高效求解。在智能控制方面,采用近端策略优化这一主流的基于策略的深度强化学习方法,通过两套独立的神经网络在训练过程中分别实现动作决策和效果评估的目的。并利用上述智能流动控制框架,成功实现了降低圆柱涡激振动振幅89%的目标,同时采用本征正交分解的方法对流场的时空演化进行了分析,为发展一般性的复杂流动主动控制方法提供了相关参考。     

附属螺旋导板抑制圆柱涡激振动的风洞试验

该文采用了一种口形截面三螺头螺旋导板用于抑制大质量阻尼比(*m??1.42)圆柱涡激振动,开展了风洞实验研究。针对弹性支撑的圆柱及其附属不同螺距螺旋导板模型,在雷诺数2.7?103-5.29?104范围内,测定相应约化速度下的振动瞬态位移。结果表明:螺距/直径比为5、10和17.5三种螺旋导板圆柱的横向及流向无因次均方根振幅均远小于单圆柱,螺旋导板对大质量阻尼比圆柱的涡激振动有较好的抑制效果,其无因次均方根振幅响应曲线无锁定区,且横向上的抑制效果比流向的抑制效果明显。此外,螺距/直径比为5的螺旋导板具有最佳抑制效果。     

双圆柱绕流的大涡模拟

基于FLUENT软件平台上的三维大涡模拟方法,对定常来流流场中的单圆柱及不同排列形式的双圆柱进行了水动力计算,并对圆柱周围的瞬时流场、时均流场以及圆柱受力进行了分析.分析结果表明,当Re=6×104时,串列双圆柱中上游圆柱受力明显大于下游圆柱,下游圆柱Gd、Cl的变化频率满足fd=2fl,两圆柱的脱涡频率近似相等,涡街的相位相同;并列双圆柱的Cd基本相等,且变化趋势有一定相似性,脱涡频率均接近单个圆柱,涡街的相位相反;交错45.排列的两个圆柱Cd基本相等,脱涡频率接近,下游圆柱的涡街相位明显滞后于上游圆柱.     

圆柱及其组合体水动力与涡激振动计算

本文对圆柱及其组合体在海洋中运动所受定常阻力、振动附加阻力、波激力和涡激力等给出了经验公式,特别对于组合体涡激共振情况,给出了振幅估算方法。根据文中公式和计算方法,对一水下装置进行了自由振动、涡激振动和各种流体作用力与结构应力的计算,发现该装置可能在1．5m／s的低速发生强烈的涡激振动,导致装置疲劳损坏或不能正常使用,而高速下流体阻力和波浪力则是结构破坏的主要原因。     

圆柱绕流非对称涡发放的数值模拟

本文用有限差分法计算粘性流体绕圆柱的流动。通过有限解析的思想求解涡量方程,并用多重网格的方法计算泊松方程,得到了一个较为合适的格式来模拟中、低雷诺数的流动,计算了Re=40,200两种雷诺数下的流动,讨论了在不同人工干扰激发下圆柱后卡门涡街的形成。     

附加附属管的隔水管涡激振动离散涡模拟

该文采用离散涡数值方法,对附加附属管的隔水管涡激振动问题进行了模拟。计算了配置4–10根附属管情况下隔水管涡激振动问题,将附加附属管后隔水管的受力系数、振幅与裸管的结果进行比较,同时也研究了不同来流攻角对附属管涡激振动的影响。结果表明,附加附属管后隔水管振幅与裸管相比,受力系数与振幅均有不同程度地减小,对隔水管涡激振动的抑制效果明显。不同数量的附属管对来流攻角的敏感性也各不相同,附加6、8和10根附属管都有很好的抑制效果,其中附加10根附属管对隔水管的抑制效果最好,减幅约达到50%,且对来流攻角的敏感性也最低。     

整流罩对长柔性立管的涡激振动抑制的数值模拟

涡激振动是海洋立管造成结构疲劳损伤的主要原因,为了研究整流罩对大长径比柔性立管涡激振动的抑制效果问题开展了数值模拟.运用切片法的思想,在每个切面上利用离散涡方法计算二维涡激振动响应,并结合有限体积法和增量法,对准三维柔性立管在垂向上的结构振动特性进行了数值分析.经过对比发现,在0.4 m/s和1.2 m/s的流速下,长...     

用大涡模拟方法数值模拟Spar平台涡激运动问题

该文采用基于开源代码计算流体力学工具包Open FOAM开发的船舶与海洋工程水动力学求解器naoeFOAM-SJTU,对一座Spar模型的硬舱部分进行了涡激运动的数值模拟。采用大涡模拟方法数值模拟了不同折合速度下Spar模型的涡激运动情况,并与Finnigan等[1,2]的模型试验结果作了对比和分析,证明了求解器naoe-FOAM-SJTU在模拟涡激运动方面的可靠性。     

基于浸入边界法的涡激振动流固耦合数值模拟方法

针对涡激振动的精确数值模拟,基于浸入边界法建立了一种处理涡激振动问题的流固耦合分区迭代数值求解模型,采用浸入边界方法处理振动结构的移动边界,并在Navier-Stokes方程中添加附加体力项以体现流固之间的相互作用.为实现流体与固体之间的强耦合作用,采用分区算法,在同一时间步内进行多次迭代求解直至收敛.为验证该方法,选...     

带附加分隔板细长柔性立管涡激振动的数值模拟

海洋立管等非流线型结构物在恒定来流的持续作用下容易发生涡激振动(VIV),这会加速结构物的疲劳损伤,因此抑振措施的研究引起学者们的广泛关注.分隔板是一种有效抑制立管涡激振动的方法,学者们对其抑制机理和规律开展了大量研究工作.该文基于海洋立管求解器viv-FOAM-SJTU,并采用切片法模拟了Re=4 000时均匀流来流...     

圆柱非定常绕流及涡致振动的数值计算

用基于一般曲线坐标系和交错网格的差分法求解原始变量二维不可压粘性流体的N-S方程，计算了雷诺数从100到1×10