采用改进尾流振子模型的柔性海洋立管的涡激振动响应分析

建立了柔性杆件在非均匀流作用下的涡激振动响应预测模型,考虑了涡激振动锁频阶段流体附加质量的变化,以及振动响应和来流简缩速度的非线性关系。该模型通过经验公式结合迭代求解的方式,计算方便、速度快,避免了数值计算(CFD)的繁琐,较为适合于海洋工程实际应用。与试验和数值结果的比较表明采用该文提出的计算模型,可以更合理、准确地给出结构涡激振动响应。最后,结合实际平台参数,进行了柔性立管在非均匀流场的作用下的涡激振动响应分析,并研究了立管的预张力、流场分布等参数的影响。分析结果表明:随着立管张力和流场分布的改变,各阶模态锁频区域发生了变化,从而改变了结构的总体响应     

线性剪切流中深海立管顺流涡激振动响应及疲劳损伤研究

采用圆柱体顺流受迫振荡试验数据,并引入顺流流体力放大因子,建立考虑横流对顺流响应影响的深海立管顺流涡激振动预报模型。该模型假定对应顺流涡激振动两个不稳定区的涡脱落模式相互独立,因此允许对应于不同不稳定区的两个模态能量输入区相互叠加。运用建立的涡激振动预报模型对HanØtangen试验模型进行分析,并与试验结果的位移均方根和主要控制模态进行了比较,结果均吻合较好。采用S-N方法,对顺流涡激振动诱发的深海立管疲劳损伤进行分析,研究了能量比截断值、顶端张紧力和流速分布对疲劳损伤的影响,得到一些有意义的结论。     

深海顶张力立管参激-涡激耦合振动响应分析

该文研究顶张力立管参激-涡激耦合振动计算方法和动力特性。考虑立管顶端动边界条件,建立顶张力立管模型,研究其在剪切流中的涡激振动响应和参激-涡激耦合振动响应。提出立管的动力响应分析方法,分析参数激励对立管横向涡激振动的影响。结果表明,立管的横向振动响应频率存在0.5倍参激亚谐成分,参数激励对于立管横向振动具有重要影响。     

深海立管涡激振动及其抑制方法研究

涡激振动是造成深海立管疲劳乃至失效的重要因素之一,会严重影响立管的使用寿命.现采用数值模拟的方法对深海顶张式立管的涡激振动及其抑制方法进行了研究.即利用有限元软件ABAQUS模拟了立管在不同流速下裸管和安装螺旋侧板的不同实例,得到其横向位移响应.结果表明,裸管条件下,当约化速度4.5相似文献   

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。     

非均匀来流下深海立管涡激振动响应研究

针对顶端张紧式深海立管的特点，采用简化后的振动模型，结合刚性圆柱体自激振荡与受追振荡实验数据，建立了深海立管在非均匀来流下涡激振动响应的简化分析模型。各阶模态的响应位移通过平衡涡激锁定区域内柱体的输入能量与非锁定区内流体阻尼的耗散能量计算得到。该模型能充分体现涡激振动现象中频锁范围、附加质量以及非线性流体阻尼等本质特点，且形式简洁，计算方便。通过与实验结果的对比显示，该模型是可行的。     

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.     

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。     

低雷诺数下两类串列圆柱的涡激振动

为了研究上游圆柱的运动状况对下游圆柱涡激振动的影响,针对两类串列双圆柱(上游圆柱固定、下游圆柱可作两自由度振动,上下游圆柱均可作两自由度振动),在低雷诺数下(Re=100),采用数值模拟方法,研究了下游圆柱在不同尾流干扰下的振幅、振动频率、相位差等振动特性随折减速度的变化规律,从能量输入和尾流模态角度探讨了上游圆柱的振...     

剪切流下钢悬链线立管涡激振动响应研究

给出线性轴向张力下顶端张紧式立管忽略弯曲刚度时的固有频率和模态振型解析解,与Shear7给出的结果进行比较。结果表明:在低于20阶模态数时,两种方法得到的固有频率能很好地符合;在高于20阶模态数时,随模态数的增加,两种方法得到的固有频率结果差距也逐渐变大,因此弯曲刚度不能忽略。由悬链线方程将钢悬链线立管等效为顶端张紧立管,通过研究顶端张紧式立管的涡激振动响应来研究钢悬链线立管的涡激振动响应。研究发现钢悬链线立管的静态位移与转化之后的等效立管均方根位移组成了类似于锯条的形状。     

海洋立管两自由度振动的涡激损伤分析

将随机振动理论中的虚拟激励法引入到海洋立管涡激振动计算中,建立了相应的数值方法,编制计算程序实现了海洋立管在流向与横向两个自由度上的随机振动响应分析。对横向振动进行了实验模型计算,通过与实验对比,检验了将虚拟激励法应用于立管涡激振动的可行性;并记录了此方法的计算时间,验证了此方法的快速性。应用P-M准则,对响应进行分析得到立管的年损伤率,实现了深海立管的疲劳损伤预报。文章的分析方法可为海洋立管涡激振动响应计算和工程设计提供一定的参考作用。     

并列刚性双圆柱流激振动风洞试验研究EI北大核心CSCD

通过风洞试验研究了弹性支撑条件下并列刚性双圆柱的流激振动,试验雷诺数范围Re=3200~36200。圆柱间距比S/D=1.5~4.0,其中S为两圆柱圆心间距,D为圆柱直径。结果表明:随着间距的变化,并列双圆柱的振动幅值呈现涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)和尾流耦合涡激振动(wake-coupled vortex-induced vibration,WCVIV)模式。WCVIV发生在间距比S/D≤3.0时,此时双圆柱之间相互干涉作用较强,双圆柱振动幅值响应呈现不一致性,振动位移之间表现为同相位或反相位耦合特征,圆柱尾流场对称点的涡脱频率也不相同,尾流呈现不对称性。而VIV发生在间距比S/D=3.5~4.0时,此时双圆柱相互独立,其振动幅值和涡脱频率几乎相同,尾流的不对称现象消失,振动位移之间相位差不再近似等于恒定值而是随时间周期性的“划动”。无论发生WCVIV还是VIV,振动频率的主频均锁定于1倍的固有频率。     

柔性立管涡激振动抑制装置试验研究

为深入研究带螺旋列板的柔性立管涡激振动响应特性,进行立管螺旋列板抑制装置的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生来流测得应变数据,基于模态叠加法获得立管位移响应等参数。分析螺旋列板抑制装置的螺距变化,系统研究不同螺旋列板状态下立管应变、位移响应等参数。结果表明,流向响应与横向响应同样重要不可忽略;裸管响应特性与带螺旋列板的立管响应特性区别较大,响应特性与螺旋列板几何形状紧密相关。     

抑制柱体结构涡激振动的非线性能量阱减振装置优化设计

为了抑制柱体结构的涡激振动(Vortex induced vibration, VIV)问题,该文基于Van der Pol尾流振子模型、结构动力学理论和优化算法,建立了非线性能量阱(Nonlinear energy sink, NES)减振装置优化设计仿真模型。采用Van der Pol尾流振子模型,将其与二维弹性支撑柱体结构动力学方程结合,建立二维弹性支撑柱体单自由度涡激振动预报模型,并与文献实验数据对比,验证了模型的准确性;在模型中嵌入NES控制模型,完成NES作用下的单自由度柱体VIV预测模型,并将其与优化算法相结合,通过优化算法改变非线性能量阱的参数,设计出对柱体涡激振动抑制效果满足设计要求的非线性能量阱;通过仿真分析优化后的NES结构参数对柱体涡激振动的抑制效果和机理。案例优化结果表明,在U_r=5.5时,NES作用下的柱体振幅减小了66.39%,减振效果明显。同时,该文采用优化方法获得的NES结构参数符合实际生产要求,确保了实物生产设计的可能性。     

利用延迟反馈控制柔性圆柱涡激振动数值研究EI北大核心CSCD

以三维细长柔性圆柱为研究对象,基于结构梁振动模型和尾流振子模型,采用二阶中心有限差分方法求解耦合方程,研究延迟反馈控制作用下柔性圆柱的涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)响应特性。研究发现:柔性圆柱的振动幅值和振动频率会随着延迟时间τ的增加呈现周期性变化,不同的延迟时间τ耦合不同的延迟增益k_(d),可以实现柔性圆柱不同振动幅值和振动频率的控制;在耦合延迟增益(k_(d))符号相反时,变化曲线会有半个周期的相位差;且延迟时间τ并不能改变振幅峰值,其大小只与延迟增益k_(d)有关。理论分析证明:当τ不断增加时,振动频率f和波数k会趋向于定值。该研究提出的延迟反馈方法能够有效控制柔性圆柱的涡激振动,为海洋立管等柔性钝体的振动控制提供新的方法和思路。     

尾流干涉及边界效应对两圆柱体涡激振动的影响

基于CFD数值模拟研究了不同排列方式的两圆柱体涡激振动问题,采用ANSYS/CFX计算了刚性圆柱体和弹性圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力,计算了上下游圆柱体和横流向相邻圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力。基于数值分析结果分析了流固耦合效应对圆柱体涡激振动的影响,分析了尾流干涉现象对尾流圆柱体和边界效应对横向相邻圆柱体涡激振动的影响。研究表明,尾流干涉及流固耦合作用将大大增加尾流圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力;而边界效应和流固耦合对垂直来流的两圆柱体涡激升力和脉动拖曳力有增强的作用,并造成两圆柱体的涡激升力之间产生了相位差,最大相位差为180°。     

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。     

内输多相流与绕流耦合作用下立管非线性振动EI北大核心CSCD

对内输多相流立管在内流与外部绕流耦合作用下的振动响应进行了分析。建立了内部多相流-立管-外部绕流的耦合方程,并采用广义积分变换法(GITT)将偏微分方程转化为常微分方程进行求解。分析得到立管内两相流会引起立管自然频率的降低,管内流速越高,立管越长,两相流作用越明显;立管在内流和外部绕流共同作用下,管内含气量的增加,使立管发生涡激振动的频率降低,振动幅值增加;管内两相流的作用会引起立管在较小的外部流速下发生共振并且会诱发立管发生更高一阶模态的振动;外部绕流流速越高,管内两相流作用越小。     

钢悬链式立管涡激振动流固耦合非线性分析方法研究

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展,钢悬链式立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管,涡激振动是钢悬链式立管设计的核心问题。本文运用柔性索理论,采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁模型模拟SCR,并根据本文提出的钢悬链式立管非锁定区考虑流固耦合的两向涡激振动模型,研究立管尤其是触地点处的涡激振动特性,算例表明,考虑流固耦合的两向涡激振动模型能够较好的模拟钢悬链式立管的涡激振动,可进行均匀流场中涡激振动的研究分析;钢悬链式立管触地点处的涡激振动响应较大且复杂,应作为SCR涡激振动研究的关键点。     

基于经验线性涡激力的桥梁涡激振动TMD控制

涡激振动是大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种风致振动,是大跨度桥梁抗风设计中的重要环节。为了有效抑制桥梁的涡激振动,研究了TMD对桥梁涡激振动的控制。建立了桥梁与TMD组成的振动系统的运动方程,在复频率里对运动方程进行求解,推导了振动系统的频率响应函数,给出了TMD参数优化设计的方法。以一大跨度悬索桥为实例,对该悬索桥进行了1∶20的大节段模型涡激振动风洞试验,获取了桥梁的涡激振动气动参数,分析了TMD对桥梁涡激振动的控制。TMD参数优化结果表明：质量比越大,控制率越高,但工程中应综合经济性等因素考虑合适的质量比;TMD质量比一定时,TMD与桥梁的频率比趋近于1附近,相位差趋近于/2附近,控制率较高;当桥梁主梁高度对TMD行程有限制时,涡振控制效果将受到影响,利用TMD进行桥梁涡激振动控制需结合TMD的行程来综合考虑参数的优化取值;就本桥而言,当按质量比为1%设计TMD最优参数时,在整个涡振区风速范围内,桥梁的涡激振动都得到了有效的抑制。