振荡流下柔性立管涡激振动时域响应研究

引入受迫振动试验所得流体力系数库,采用全新的锁定判定区间及锁定准则,针对柔性立管振荡流条件下涡激振动问题提出了一套可供选择的时域预报数值方法。涡激振动流体力由瞬时来流速度及立管截面运动共同决定,相关流体力系数为无因次幅值及频率的函数。基于上述方法对某4 m立管模型不同KC数及最大约化速度的振荡流工况进行模拟,预报结果与相应试验实测吻合较好,并捕捉到振幅调制、迟滞、频率转换及高频谐振等现象。进而,对于不同KC数及最大约化速度组合的振荡流工况下立管动力响应表现出的诸多有别于定常流条件的特性,从涡激振动发生机理层面进行分析讨论并给出合理解释。最后,通过对振荡流与均匀流下立管涡激振动响应进行对比发现,在流速相当的条件下,振荡流工况的涡激振动均方根位移大于对应均匀流工况的对应值;而当最大约化速度相同时,较小的KC数对应较大的涡激振动均方根位移。     

质量比对圆柱涡激特性的影响研究

采用有限体积法对不同质量比圆柱在限制流向及不限制流向下的涡激振动进行了研究。圆柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST  湍流模型对限制流向和不限制流向下圆柱涡激振动进行了数值模拟。研究发现：限制流向和不限制流向时圆柱涡激振动横向振幅均出现了初始激励分支和下端分支, 不限制流向质量比2.0时还出现了超上端分支,其横向振幅最大值为1.05D,是限制流向工况的1.81倍,质量比越大两者相差越小;限制流向和不限制流向两种工况下圆柱涡激振动均发现频率锁定现象,但锁定区间不同;质量比大小对圆柱涡激振动锁定区间也有影响;最后对不同质量比下圆柱涡激振动轨迹进行了讨论分析。     

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。     

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。     

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。     

正三棱柱流致振动试验研究

以典型的圆柱流致振动为参照,进行了水中弹性支撑正三棱柱在不同刚度下的流致振动试验,系统阐述了正三棱柱的振幅与主频变化特性、频谱特征及尾流模式,并揭示了系统刚度对振动响应的影响。试验结果表明,有别于圆柱"自限制"的三个响应区间,正三棱柱的流致振动响应区间分别为:涡激振动分支,涡振-驰振转变分支及驰振分支。随折合流速增大,三棱柱的振动响应并未出现抑制现象。涡激-驰振转变分支中,振幅突增和频率突降,体现了由涡振向驰振的转变趋势;涡激振动上端分支和驰振分支中,柱体振动存在"锁频"现象。系统刚度的变化会造成相同折合流速下正三棱柱尾流模式的差异,进而影响振幅和频率响应。正三棱柱最大响应振幅比为2.11,大于现有圆柱试验的最大响应振幅比1.90。相比于圆柱,正三棱柱更有利于低速水流能的开发利用。     

表面粗糙度对圆柱体涡激振动响应特性影响数值研究

使用数值模拟方法,研究了粗糙度对圆柱体涡激振动响应特性的影响,对不同粗糙度下圆柱体的涡激振动响应幅值、漩涡泄放频率、结构振动频率、锁定区间等参数进行了对比分析。分析结果表明:依据涡激振动响应幅值以及响应频率,可以将整个折合速度区间划分为4个区间:区间I、区间II、区间III以及区间IV。随着粗糙度的上升,圆柱体涡激振动响应最大值呈下降趋势。随着粗糙度的上升,锁定区域开始点呈缓慢提前的趋势,而锁定区域结束点则呈快速提前的趋势,因此整个锁定区域宽度会随着粗糙度的上升而逐渐变窄。     

理想塑性非线性弹簧支撑刚性圆柱涡激振动响应

应用尾流振子模型以及弱耦合算法的二维CFD数值方法,首次模拟了理想塑性非线性弹簧支撑刚性圆柱的涡激振动响应。CFD数值模拟与尾流振子经验模型预报结果一致显示:响应幅值超出非线性弹簧的极限位移后产生突变而迅速达到峰值,然后又逐渐变小;非线性弹簧情况下幅值峰值要低于线性,但出现在较低的流速。CFD数值方法还模拟到非线性弹簧支撑柱振动频率开始锁定泄涡频率,当振幅达到峰值后,随之锁定于静水固有频率附近。     

三角分布的海洋立管涡激振动数值分析

基于格子Boltzmann粒子网格技术,采用XFlow求解器对三角分布的海洋立管进行涡激振动数值模拟。运用二阶范德波尔方程描述二维圆柱横向单自由度涡激振动,研究了三圆柱间距比及来流约化速度对圆柱涡激振动特性的影响,圆柱间距比取L/D=0.5、2.0、4.0,来流约化速度为U_(r )=1～9;分析了圆柱涡激振动的振幅、升阻力系数特性及圆柱尾流中旋涡脱落模式。结果表明:圆柱间距比为L/D=0.5、2.0、4.0时对应的上游圆柱涡激振动的锁振区间分别为U_(r )=3.5～7.0、3.5～7.5、3.5～6.0,最大振幅分别为Y_(rms)/D=0.372, 0.546, 0.470。间距比过大或过小时,其流体流动模式分别受接近效应和尾流效应的影响,中间间距比时,在非锁振区间内,其流体流动模式受两者组合效应的共同影响,在锁振区间,其流体流动模式同大间距比一样主要受尾流效应的影响;流体干涉效应的变化对圆柱升阻力系数的变化起着重要的作用,不同间距比,圆柱升阻力系数的变化趋势相似。     

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。     

宽高比为4的矩形断面涡激振动响应数值模拟

采用二维雷诺平均（RANS）SST 湍流模型求解不可压缩粘性流体N-S方程,并将Newmark- 法代码嵌入Fluent UDF（用户自定义函数）中以求解结构振动响应,结合动网格技术对宽高比为4的矩形断面涡激振动响应进行了数值模拟。研究结果显示：宽高比为4的矩形断面涡激振动“锁定”区间以及涡激振动响应振幅的数值模拟结果与已有文献风洞试验结果吻合较好;表明采用该方法进行具有分离、再附现象的钝体断面涡激振动是可行的     

悬浮隧道锚索流固耦合振动试验研究

悬浮隧道跨越长深水域的新型交通结构物。在水流的作用下,锚索将会发生涡激振动,以往的研究主要采用数值方法,而进行模型试验研究是探索悬浮隧道锚索涡激振动机理不可或缺的研究手段之一。本文利用风浪流多功能水槽,以千岛湖悬浮隧道锚索为原型,采用节段模型试验的方法,进行了均匀流作用下锚索涡激振动试验研究。通过试验发现,圆形锚索的Cm值约为0.94,线性流体阻尼比ξ’约为1.26%;锚索在约化速度U/fnD =5.8~10.1发生涡激锁定现象,产生涡激共振,此时横向振幅约化值（Ay/D）最大达到1.10,顺流向振动依旧较小,而升力系数CL和拖曳力系数CD均会显著的增大;参数分析发现,圆形锚索倾斜布置有利于降低涡激共振的不利影响,但当来流角度的变化后会对倾斜布置的锚索产生不利影响。     

非对称П型梁和流线型箱梁气动性能风洞试验研究

为了研究非对称人行道对主梁气动性能的影响,利用节段模型风洞试验,分别研究了非对称П型梁和流线型箱梁在不同来流风向下的三分力系数、涡振以及颤振特性。试验结果表明:在正攻角范围内,0°来流风向下(人行道板一侧的来流方向)两种类型主梁的三分力系数均大于180°来流风向值,且非对称人行道对П型梁三分力系数的影响比流线型箱梁显著;断面的非对称性会严重影响不同来流风向下П型梁的涡振性能,包括出现涡振的风攻角、涡振响应振幅、起振风速以及锁定区间等。从空气动力学角度分析,人行道板的存在使0°风向来流提前发生分离,再附点发生改变,涡激力减弱,进而改善了主梁在该来流风向的涡振性能。0°来流风向下两种类型非对称主梁的颤振临界风速均高于180°来流风向值。颤振导数结果显示非对称人行道板和栏杆可提供一定的扭转气动正阻尼,因此0°来流风向主梁的颤振临界风速较高。     

横流向热浮升力对并列双圆柱流致振动的影响EI北大核心CSCD

采用浸入边界法对横流向热浮升力作用下并列双圆柱的流致振动进行数值模拟研究。详细总结了理查森数Ri=3条件下并列双圆柱的最大振幅、时均位移、升阻力系数、频率特性和尾流模式等随间距比及折合流速的变化规律。研究发现:在横流向热浮升力作用下,并列双圆柱振幅和升、阻力系数呈现不对称特点,振动响应除出现涡激振动外,在更高折合流速下出现驰振;圆柱振动平衡位置相对其初始位置均发生与热浮升力反向的偏移,偏移量随折合流速增大而增加;在涡振阶段,并列双圆柱尾流场表现出稳定的宽窄尾流模式,两个圆柱的泄涡基本保持反相同步;在驰振阶段,尾流场表现为同相同步模式,圆柱的振动响应出现了倍频锁定现象。     

正三角形排列刚性耦合三圆柱涡激振动特性及尾涡模式

采用基于嵌入式迭代的浸入边界法对等边三角形排列的刚性耦合三圆柱涡激振动进行了数值模拟研究。其中一个圆柱在上游放置,另外两个圆柱并排放置于下游,圆柱间刚性连接,系统仅在横向自由振动。圆柱间距比L~*分别为1.0、1.6、2.5和4.0,雷诺数为Re=100,质量比为m~*=2.0,折合流速为U_r=3.0~30.0。分析了不同间距比下圆柱振幅、流体力、振动频率和脱涡模式等。研究发现,随U_r的增大,各间距比下的振动响应均可划分为初始分支(initial branch,IB)、下端分支(lower branch,LB)和非锁定区域(desynchronized region,DS)。其中,非锁定区域又可进一步分为前非锁定区域(DS1)和后非锁定区域(DS2)。随折合流速的增大,圆柱振幅整体上先增后减,而随间距比的增大,圆柱振幅则先减后增。圆柱的最大振幅(A~*=1.11)出现在L~*=1.0、U_r=8.0处。当L~*=1.0、1.6和2.5时,圆柱振动存在锁定区间,振动频率锁定在固有频率附近,而L~*=4.0时,圆柱的振动频率随折合流速增大线性增大,不存在锁定区间。当L~*=2.5时,在DS2分支上,圆柱振动出现了两个强度相当、频率不同的分量,分别为低频驰振分量与高频涡振分量,而且由于复杂的柱间流体结构使得三圆柱升力频率存在较大差异。当L~*=1.6时,在DS分支上,圆柱下游出现宽-窄尾流,导致了下游圆柱所受升阻力均值和升力均方根不相等。     

流线型箱梁涡激振动的气动力演化规律

涡激振动是大跨度流线型箱梁桥在低风速下常见的风致振动形式,对桥梁结构的疲劳寿命和行车舒适性有较大影响。为揭示流线型箱梁涡激振动机理,有必要研究其涡激振动的气动力演化规律。以某流线型箱梁桥为对象,通过同步测振测压的风洞试验方法,获得了+5°风攻角下主梁模型的涡激振动响应及表面测点风压时程,对比分析了涡激振动前、涡激振动振幅上升区、涡激振动振幅极值点、涡激振动振幅下降区和涡激振动后五个不同阶段模型表面的平均风压系数、脉动风压系数和涡激力的变化规律。结果表明：在涡激振动的不同阶段,流线型箱梁表面平均风压系数变化不大,而脉动风压系数分布具有明显的演化过程。涡激力在涡激振动振幅上升区、涡激振动振幅极值点及涡激振动振幅下降区有明显的卓越频率,且与结构自振频率相近,涡激振动前和涡激振动后无明显卓越频率。涡激力卓越频率对应的振幅与涡激振动位移振幅正相关,两者同在涡激振动振幅极值点处达到最大。     

宽高比5∶1矩形断面涡激振动锁定区间内涡激力展向相关性分析

涡激力展向相关性是准确预测三维柔性结构涡激振动振幅的重要因素。以宽高比5∶1矩形断面为例，通过气动力展向相关函数理论建模和节段模型弹性悬挂测振、测压风洞试验，研究了涡激振动锁定区间内实测气动力展向相关性变化规律。研究结果表明：在涡激振动锁定区间内，实测气动力由完全相关的自激力和不完全相关的随机气动力组成，展向相关性可以用指数加常数型函数描述，指数项系数为随机气动力占实测气动力的能量比，指数项系数和常数之和等于1；实测气动升力均方根在涡振起振阶段最大，随着风速增大反而减小，随机气动力均方根基本保持不变，由此导致实测气动力展向相关性表现为起振阶段最强，随着风速增加而减弱。     

柔性立管涡激振动响应特性试验研究

针对柔性立管进行了试验研究,试验的目的是为了更深入地了解细长柔性立管在水中的涡激振动响应特性。试验在拖曳水池中完成,通过拖车拖动立管从而产生相对来流。通过测试得到的应变数据,基于模态叠加法,便可得到立管的位移响应等参数。试验中针对不同的流速进行了分析,系统地研究了立管的应变、特征频率、无量纲振幅比、锁定区域以及流体力系数等参数。研究结果表明:柔性立管随着流速的增加会出现多阶锁定现象;在高阶锁定区域,振动频率会出现跳跃现象;且随着锁定阶数的增加,幅值呈现下降趋势。     

考虑旋转自由度的涡激振动数值模拟研究

当前,对于涡激振动的研究主要集中在单自由度或双自由度弹性固定的圆柱上,分析其振幅、频率、相位等振动响应随约化速度的变化规律。对于考虑旋转自由度的涡激振动,由于受到实验装置以及测量手段等条件的制约,相关的研究并不多见。基于OpenFoam软件,对考虑旋转自由度的低质量比圆柱涡激振动响应特性进行数值模拟研究。参照Williamson(2004)的实验,对双自由度低质量比圆柱进行数值模拟,在相同的边界条件下,对圆柱增加旋转自由度并进行数值模拟。通过对两种工况下涡激振动响应的对比分析,可以得出以下结论:圆柱在涡激振动过程中会发生艏摇现象。同时,艏摇现象的发生会对其振幅起小幅的抑制作用。此外,艏摇频率与横向振动频率一致,且艏摇幅度与尾涡形式有关。     

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.