基于单/双向流固耦合的水翼水力阻尼数值预测方法研究

为评估水力机械外部瞬态载荷作用下的动力响应幅值,必须考虑流固耦合产生的水力阻尼效应。如何准确预测水下结构水力阻尼参数是设计阶段评价水力机械运行稳定性的难点问题。借助分离式单/双向流固耦合数值模拟方法,针对工程中常用的NACA0009翼型,开展了水翼在5～20 m/s流速下的振动特性和水力阻尼比数值预测方法研究。分析结果表明:第1阶弯曲模态振型在静水中与20 m/s流速下相一致,且低阶模态水翼固有频率随流速变化在3.95%以内,据此,单向流固耦合中将静水中振型及固有频率作为动水水翼的初始条件的假设是可行的。基于单向流固耦合方法所预测的水力阻尼比与实验值的平均相对偏差为11.42%。双向流固耦合则不需要该假设,能更加准确地预测低阶模态固有频率、水翼尾部脱落涡频率和水力阻尼比,相对实验值的平均偏差分别为4.36%、4.24%和4.95%。单/双向流固耦合数值方法都能预测水力阻尼比随流速线性增加的规律。本文算例中,相同计算资源条件下双向流固耦合所需计算时间是单向计算的15倍。在实际工程应用中,推荐优先采用单向流固耦合方法。     

复合材料水翼水动力响应数值模拟研究

该文针对NACA0009复合材料梯形水翼进行流固耦合数值计算,研究复合材料水翼水力阻尼及水弹性响应特性。研究建立了复合材料水翼流场模型、结构模型、流固耦合计算模型及湿模态模型,并利用实验结果对模型进行验证。模态分析结果表明：复合材料铺层角φ影响水翼模态振型,相比于φ=0°铺层,φ=+30°铺层和φ=-30°铺层水翼的一阶模态频率降低,二阶和三阶模态频率升高。研究进一步对水翼振动过程的阻尼特性进行分析,得到了水力阻尼比与流速的经验关系式,复合材料水翼水力阻尼比与流速成正比,且相比于φ=0°铺层,φ=+30°铺层和φ=-30°铺层水翼的水力阻尼比更大。分析了不同流速下复合材料水翼的水动力载荷特性：对于稳态水动力载荷,φ=+30°铺层水翼的载荷系数随流速增加而增大,φ=-30°铺层随流速增加而减小,φ=0°铺层随流速增加而略有增加;对于瞬态水动力载荷,初步分析表明,水翼受到的水动力作用形式与铺层角相关：相较于流速,铺层角φ对瞬态载荷分布的影响更大,且φ=+30°铺层水翼吸力面尾缘附近所受水动力比φ=0°铺层更大。     

基于Lyapunov指数的悬浮隧道锚索振动稳定分析

为分析水下悬浮隧道锚索在均匀流作用下振动的稳定性问题,建立了锚索的振动方程并用伽辽金法对其进行了简化。采用Lyapunov指数法判断了锚索涡激振动的稳定性,同时分析了锚索阻尼比、初张力、均匀流速和涡激频率对锚索振动稳定性的影响。研究结果表明,随着均匀流速的增加,锚索逐渐从稳定状态转变到不稳定状态;锚索振动系统的初张力、阻尼比越大,锚索就越容易趋于稳定状态;当涡激频率与锚索一阶固有频率接近时,会发生涡激共振现象,锚索最容易失稳。      

均匀来流中大长径比深海立管涡激振动特性

提出了一种对大长径比深海立管涡激振动特性进行三维耦合数值模拟的方法。其中,流场采用大涡模拟方法进行三维数值模拟,结构振动采用基于薄壳模型的有限元方法进行数值计算,并采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的新方法,实现了流体与固体之间的三维耦合数值模拟。在雷诺数Re=3400和11000下,对某长径比为1200的深海立管模型在均匀来流中的横向涡激振动特性进行了数值模拟与分析。结果表明,大长径比柔性立管的横向振动响应对其尾涡动力特性会产生显著影响,包括会出现涡泄频率显著增大和多频涡泄等复杂现象。尽管来流是均匀的,但立管的横向振动响应会出现明显的多模态特征,除了包含有与涡泄频率一致的振动响应外,还包含有其它频率成分的振动响应。特别地,还会出现多种高阶模态振动共存的非对称复杂弯曲变形等现象。研究表明,该方法为研究深海立管涡激振动特性及其工程预报的相关问题提供了一种有效的途径。     

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。     

空化对振动水翼附加质量和阻尼特性影响研究

抽水蓄能机组需频繁调节工况以适应电网需求。由此水力激振频率范围加宽,共振风险增加。附加质量和阻尼特性是评估共振工况点和共振幅值的关键参数。在空化发生时,叶片绕流流体从液相变成汽相,其复杂的流固耦合效应对叶片附加质量和阻尼特性产生影响。本文将叶片简化为NACA 0009水翼,探索了空化发生时基于双向流固耦合的附加质量和水力阻尼特性预测方法。结果表明,模拟得到的静水中固有频率和不同空化数下的空化脱落频率与实验结果吻合良好,相对误差分别在7.12%和8.76%以内。在空化数σ=1.04~2.02范围内,固有频率和水力阻尼随空化数的降低分别增大和减小,相对于实验的平均误差分别为9.69%和13.65%。内部流动分析表明反向射流导致前缘空化周期性脱落,吸力面的绕流速度下降则是空化发生后水力阻尼下降的主要原因。研究成果对抽水蓄能机组设计阶段预判空化时的叶片振动评估具有重要指导意义。     

定常流中横向振动圆柱的升力突变现象研究

基于Realizablek-ε模型,采用有限体积法对亚临界雷诺数下(Re=105)受迫振动圆柱的涡激振动问题进行了二维数值研究,着重研究了振动频率与振动幅度两个参数对圆柱振动响应的影响,计算了三类振动频率:①共振强迫;②振动频率小于静止圆柱脱落频率;③振动频率高于静止圆柱脱落频率,并分析了尾流涡度模式与横向受迫振动圆柱升力系数的关系。数值模拟结果表明,三类振动频率模式下的动力响应差异明显,振动频率与振动幅度对圆柱的脉动升力系数影响较大。随着受迫振动振幅的增加,圆柱脉动升力系数出现了突变衰减,圆柱静止情况下的脱落频率与受迫振动频率控制的波动出现了相位逆变,使得圆柱与流体的能量传递出现了逆向改变。尾迹涡度模式反映了脉动升力系数的突变,其中的"2P"模式反映出共振条件下,升力系数在圆柱振幅处于中等范围时保持较小值且变化较小。     

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.     

水下悬浮隧道锚索涡激动力响应分析

为研究涡激振动和参数振动共同作用下水下悬浮隧道锚索的振动响应,考虑锚索的几何非线性,将管体对锚索的作用简化为轴向激励,建立了悬浮隧道锚索非线性涡激振动方程,并用伽辽金法和龙格-库塔法对悬浮隧道锚索进行数值求解,分析了锚索产生涡激谐振、参数共振时跨中位移响应和轴向力的改变幅度,以及锚索倾斜角度对其振动特性的影响。研究结果表明,锚索产生涡激谐振和参数共振时跨中位移和轴向力大幅增大;垂度效应使得锚索的跨中位移关于平衡位置呈现出不对称性;随着锚索倾角的增大,锚索跨中位移偏移值、一阶固有频率、一阶频率锁定流速都逐渐减小。     

圆柱结构顺流向第一不稳定区内涡激振动的研究

在实际工程中圆柱结构顺流向的涡激振动比较常见,其对结构的疲劳破坏影响也十分显著。该文分析了弹性支承圆柱在顺流向第一不稳定区内的涡激振动,运用Van der Pol方程描述对称旋涡脱落的尾迹特性,采用尾流振子模型计算结构响应,并研究了质量-阻尼参数和质量率对顺流向涡激振动的影响机理。数值计算结果表明,在第一不稳定区内,弹性支承圆柱顺流向涡激振动存在临界质量率。     

静水中摆推式水翼的水动力分析与实验研究

针对静水中作摆动推进的水翼，采用用非定常涡格法对其进行水动力分析，并进行了静水中的相关推进实验。在理论计算中作者提出了一种非线性尾涡面模型处理办法，并将这种尾涡面模型下的计算结果与试验结果进行了对比，对比表明在计算中采用这种非线性尾涡面效果理想。最后，针对提出的这种非线性尾涡模型处理方法展开了进一步的探讨，并按此计算了有来流工况下的尾涡面形状，给出了计算结果。     

Flow induced structural vibration and sound radiation of a hydrofoil with a cavity

The structural vibration and the sound radiation induced by the flow over a cavity on a hydrofoil are investigated experimentally and numerically. The large eddy simulation(LES) is adopted to calculate the flow field and the pressure fluctuation characteristics. A coupled finite element method/boundary element method approach is used to analyze the hydrofoil vibration and the structure-borne noise. The flow noise is calculated using an acoustic analogy by considering the surface pressure fluctuations as the dipole sources. A hollow hydrofoil with an orifice supported by four cylinder rods is constructed for the experiments. Modal tests are performed to obtain the natural frequencies of the hydrofoil in air and water. The vibro-acoustic experiments are carried out in the water tunnel at various free stream velocities with the orifice open and closed. A pressure transducer is used to measure the pressure fluctuations behind the downstream edge of the orifice. The triaxial accelerometers mounted on the side walls are used to measure the vibrational response of the hydrofoil. Furthermore, a hydrophone located in a box, filled with water is used to measure the sound radiation. The structure-borne noise and the flow noise are identified by their frequency properties. Reasonable agreements are observed between the numerical predictions and the experimental measurements.     

粘性流中的二维兴波水翼水动力特性研究

本文采用边界层的概念来研究粘性流中的二维兴波水翼之水动力特性的数值计算方法。考虑到边界层与外部势流的相互干扰，运用了势流与边界层的相互迭代计算，从而求得两者相互匹配的解。用势流解求得的水翼升力系数往往比实验值明显偏大。而用本文的方法，从算例来看，计算结果比势流解减小１５％左右，而与实验值比较接近。本文还讨论了兴波阻力的计算方法，并有算例。     

Numerical simulations of vortex-induced vibrations of a flexible riser with different aspect ratiosin uniform and shear currents

This paper aimed at describing numerical simulations of vortex-induced vibrations(VIVs) of a long flexible riser with different length-to-diameter ratio(aspect ratio) in uniform and shear currents. Three aspect ratios were simulated: L/D= 500, 750 and 1 000. The simulation was carried out by the in-house computational fluid dynamics(CFD) solver viv-FOAM-SJTU developed by the authors, which was coupled with the strip method and developed on the OpenFOAM platform. Moreover, the radial basis function(RBF) dynamic grid technique is applied to the viv-FOAM-SJTU solver to simulate the VIV in both in-line(IL) and cross-flow(CF) directions of flexible riser with high aspect ratio. The validation of the benchmark case has been completed. With the same parameters, the aspect ratio shows a significant influence on VIV of a long flexible riser. The increase of aspect ratio exerted a strong effect on the IL equilibrium position of the riser while producing little effect on the curvature of riser. With the aspect ratio rose from 500 to 1 000, the maximum IL mean displacement increased from 3 times the diameter to 8 times the diameter. On the other hand, the vibration mode of the riser would increase with the increase of aspect ratio. When the aspect ratio was 500, the CF vibration was shown as a standing wave with a 3~(rd) order single mode. When the aspect ratio was 1 000, the modal weights of the 5~(th) and 6~(th) modes are high, serving as the dominant modes. The effect of the flow profile on the oscillating mode becomes more and more apparent when the aspect ratio is high, and the dominant mode of riser in shear flow is usually higher than that in uniform flow. When the aspect ratio was 750, the CF oscillations in both uniform flow and shear flow showed multi-mode vibration of the 4~(th) and 5~(th) mode. While, the dominant mode in uniform flow is the 4~(th) order, and the dominant mode in shear flow is the 5~(th) order.     

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...     

脉动流诱发板结构振动分析

本文研究了矩形板结构在脉动流作用下的诱发振动问题。推出了流体对板结构作用力的表达式，并进行了板结构振动分析。算例中应用了解析法和样条配点法进行计算对比。     

混流式水轮机叶片流激振动机理的数学描述

诱发混流式水轮机水力振动的机理十分复杂，理论上按振因可将其分为湍流激振、涡激振动、流弹性失稳振动、两相流激振以及平均轴向流诱发振动等因素。这些激振因素可能是单项激励诱发振动，也可能是多因素并存而发振。本文在正交流线坐标系中，使用一般壳体理论及任意拉各朗日一欧拉描述(ALE)，建立了描述混流式水轮机叶片流激振动及其稳定性的数学模型，为从理论上深入分析叶片流激振动的机理及振动特性提供一个分析平台。