弹性管的紊流减阻效果与流激振动特性的实验研究

在实验确认弹性管确有紊流减阻效果的基础上,对其流激振动特性及紊流减阻效果进行了实验研究。结果表明:管的壁厚越小,管外壁的流激振动的脉动位移有效值越大,紊流减阻效果越好;在雷诺数Re约为2×104时,壁厚为2mm、3mm及4mm弹性管的流激振动减阻率依次约为12%、10%、8%。     

柔管与紊流耦合减阻效果的初步研究

为探讨柔管与紊流耦合减阻的初步机理,采用双重管结构及激光传感测位仪,在通过实验确认柔性管与刚体管相比确有紊流减阻效果的基础上,对柔管的紊动振动特性及相应的紊流减阻效果以及二者的相关性进行了实验研究。结果表明：柔管的壁厚越小,管外壁振动的脉动位移越大,无量纲的猝发周期也越大,紊流减阻效果越好;柔管壁外为压力平衡空气且雷诺数约为17 500时,壁厚分别为2,3,4 mm柔管的无量纲猝发周期依次为141,126,105,这将为设计高效的流体输送技术提供了一种实验技术上的选择。     

弹性管湍流输水减阻的效果评价和应用前景分析

为开发弹性管减阻技术,通过双重管结构,在对弹性管外壁充入几乎与管内压力相平衡的压力空气的条件下,实验考察了弹性管湍流输水的减阻效果。研究结果表明:基于双重管的弹性管减阻特性的评价是可行的;弹性管的壁厚越小,减阻率越大,雷诺数越高,减阻效果越好。使用激光位移传感器对弹性管外壁的脉动振动特性测试表明,弹性管外壁的脉动振动幅度与弹性管减阻率之间存在正相关关系。认为弹性管湍流输水减阻在国内的应用潜力巨大。     

附属管对钻井隔水管涡激振动流动控制的研究

抑制钻井隔水管的涡激振动是海洋油气开发的一个重要课题。附属管线会改变隔水管附近的流场进而抑制隔水管的涡激振动。采用SST湍流模型数值模拟和风洞实验研究了亚临界流动区域的隔水管关键动力学因素。对于附属管中心距隔水管表面为0.2倍隔水管直径(D)的情况,研究结果表明:计算结果和实验结果较为吻合;不同布置方式和尺寸的附属管起到的抑制效果明显不同;当附属管按照4×0.1D×0o均匀排布时,抑制效果较好且管数较少,时均阻力系数和脉动升力系数均可以减少60%以上;考虑到实际工程应用中海水来流方向的易变性,发现8×0.1D的附属管总体抑制效果最好,减阻和减升分别能达到30%和70%以上。     

柔性管紊流区域减阻效果机理实验研究

为探讨柔性管的紊流区域减阻效果的产生机理,采用高精度高频率响应特性的应变仪对柔性管外径随雷诺数的频率变化特性进行了研究.研究结果表明:随着雷诺数的增加,全频带的外径脉动的均方根值加大,但高频带外径脉动的均方根值减小,说明柔性管管壁脉动确实改变了原刚性管的脉动流场,大尺度涡的运动加剧,低尺度涡运动减弱,从而使得能量损失减少,减阻效果增大.     

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。     

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。     

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。     

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...     

圆柱附属刚性与柔性分离盘结构系统的涡激振动及驰振风洞实验研究

近年来该文作者针对圆柱涡激振动控制方法与机理开展了数值模拟和风洞实验研究,获得了一些具有典型意义的认识及涡激振动控制策略。与此同时,研究发现,有的典型涡激振动抑制装置如分离盘和整流罩等在一些条件下会发生比涡激振动更严重更复杂的不稳定现象—驰振,它非常不利于对圆柱涡激振动本身的控制。该文概述近期利用风洞实验开展刚性和柔性分离盘控制涡激振动研究时所观察到的典型特征,揭示了涡激振动以及驰振发生的条件和规律。总体来看,在该文实验条件(质量阻尼比0.19-0.2,约化速度2-38)和材料属性下,长度小于1.0 D(D为圆柱直径)的柔性分离盘可以有效控制涡激振动,而大于1.0D的柔性分离盘和刚性分离盘都引发了驰振。对于刚性分离盘,这种驰振比较复杂,与测试条件相关,有的为涡激振动诱发,有的是速度限制激励的,有的是纯粹的驰振且振动强而不停;而柔性分离盘的驰振大多是自发产生的且相对刚性分离盘弱而有限。     

DRAG REDUCTION EFFECT OF COUPLING FLEXIBLE TUBES WITH TURBULENT FLOW

To analyze the mechanism of drag reducing effect by coupling flexible tubes with turbulent flow, based on experimental examination of more obvious turbulent drag reduction effect in flexible tubes than in rigid tubes, experimental investigation was performed on the effect of turbulent drag reduction, fluctuating vibration characteristics of flexible tube and the correlations by using a double-tube system and laser displacement sensor. The results are as follows： with the decrease of the thickness of the flexible tubes, the root mean square of fluctuating amplitude of the outer wall of the tubes increases, and the non-dimensional burst period increases, resulting in the increase of the reduction rate of drag coefficient by coupling flexible tubes with turbulent flow. At applied pressure-balanced air on the outer wall and the Reynolds number of about 1.75×10^4, the non-dimensional burst periods of the flexible tubes with the thickness of 2 mm, 3 mm, 4 mm are 141, 126, 105, respectively.     

INFLUENCE OF YOUNG'S MODULUS ON DRAG-REDUCTION IN TURBULENT FLOW USING FLEXIBLE TUBES

In order to develop technologies of friction drag reduction with a flexible tube to be used for water transport, experimental studies were carried out on the influence of Young's modulus on the turbulent drag reduction. The friction coefficients of flexible tubes with different Young's modulus were examined by using a sleeve-tube structure. The fluctuating vibration of the outer wall and the fluctuating pressure on the inner wall of the tubes were measured with a laser displacement sensor and a pressure sensor. The results are as follows. The smaller the Young's modulus of a flexible tube and the larger the Reynolds number, the larger the turbulent drag reduction rates become. The transition from laminar flow to turbulent flow can be delayed with an appropriate Young's modulus. Non-dimensional amplitude of fluctuating vibration on the outer wall is smaller than that of a viscous sub-layer thickness, and is positively correlated with the friction drag reduction.     

条纹薄膜减小湍流阻力的试验研究

本文从湍流边界层的相关结构出发，探讨了条纹薄膜减少湍流边界层阻力的机理，通过平板模型的水洞试验，研究了条纹薄膜的减阻作用。试验结果表明，条纹薄膜具有明显的减阻效果，最大降阻量大约为１０％。     

隔水管附属管控制流动的风洞和水洞实验研究

通过对附属轴向管的隔水管表面压力分布和流体动力特性进行的风洞和水洞实验测试结果的对比,验证了利用低成本风洞实验代替高成本水洞实验来考察隔水管流体动力特性及漩涡特征的可行性。与经典圆柱实验的对比验证了本实验两套测试系统的可靠性。对附加管数N 4和10两种布局的附属管进行流动控制实验的结果表明,4根和10根附属管分别作为少管数和多管数情况的代表,对于流体力的影响差异较大,但均能取得一定程度的降低升阻力和抑制漩涡脱落的效果。多管数对于来流方向的敏感性要低很多。10根管能使Cd和Cl分别获得相对于单隔水管约36%和80%的降低。附属管作为一种消除流向影响以降低流体力和控制漩涡脱落的手段,为抑制隔水管涡激振动提供了参考价值。     

平板闸门垂向自激振动数学模型研究

在分析前人实验结论和平板闸门自激振动机理的基础上,将结构—尾流振子模型应用到闸门垂向自激振动的研究中,振子模型采用von der por方程,在结构的控制方程中合理地加入了附加质量项。通过确定模型其他参数并对模型进行计算得到闸门稳定自激振动（共振区）下的垂向振动峰值和频率比。计算值和实测值能较好地吻合,从而实现了影响闸门自激振动参数的整合及对闸门自激振动的定量研究,为进一步深入分析闸门自激振动的机理提供了更加可靠的依据。     

抽水蓄能电站水力-机械系统自激振动特性研究

针对部分抽水蓄能电站运行过程中出现的水力-机械振动以及运行不稳定现象,从水力阻抗的角度研究可逆式机组可能产生自激振动的判别条件以及相应的不稳定区域。应用非线性振动理论,分析抽水蓄能电站产生自激振动时的幅频特性。结合具体算例,考虑可逆式机组在不稳定区域("S"形特性区)运行时,进行水力-机械系统的自由振动分析,在全频域范围内分析系统的振动特性,得出相应衰减因子为正的振动模式,同时结合特征线法在时域内进行自激振动分析,给出相应的振动曲线。研究结果表明抽水蓄能电站自激振动由多个衰减因子为正的振动模式叠加而成,其最大幅值与理论分析一致。     

抽水蓄能电站水力 机械系统自激振动特性研究

针对部分抽水蓄能电站运行过程中出现的水力-机械振动以及运行不稳定现象，从水力阻抗的角度研究可逆式机组可能产生自激振动的判别条件以及相应的不稳定区域。应用非线性振动理论，分析抽水蓄能电站产生自激振动时的幅频特性。结合具体算例，考虑可逆式机组在不稳定区域(“S”形特性区)运行时，进行水力-机械系统的自由振动分析，在全频域范围内分析系统的振动特性，得出相应衰减因子为正的振动模式，同时结合特征线法在时域内进行自激振动分析，给出相应的振动曲线。研究结果表明抽水蓄能电站自激振动由多个衰减因子为正的振动模式叠加而成，其最大幅值与理论分析一致。