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...     

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。     

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。     

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...     

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。     

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.     

基于大涡模拟和Newmark HHT方法的闸门垂向 自激振动数值模拟

当平底缘平板闸门部分开启且上下游存在水位差时,在一定的折算速度范围内闸门会发生强烈的自激振动,而且闸门底缘有漩涡产生。本文用基于流固耦合数值模拟方法研究了闸门垂向自激振动,通过采用大涡模拟和Newmark HHT方法对不同工况下闸门自激振动进行了计算,计算结果和实验结果吻合,通过数值模拟图像进一步揭示了闸门自激振动机理。     

水下管道涡激振动的实验研究

本文对裸露悬空管道在稳定流中的振动现象进行了实验研究。通过对不同管径,不同跨长,不同边界条件的１１组模型在不同流速下的试验,得出管道产生涡激振动时诸参数间的关系,运用尾流振子数学模型进行计算,结果表明：实验与计算是吻合的。提出了防止管道疲劳破坏的条件,这对于穿越河流管道的设计和现有管道的加固有现实意义。     

基于格子Boltzmann方法的圆柱两自由度涡激振动的研究

该文采用格子Boltzmann方法(LBM)对二维圆柱涡激振动问题进行了研究.圆柱动力响应求解采用Newmark 法,柱体附近使用多块(Multi-block)技术进行网格加密.综合分析了无量纲参数如折合阻尼SG、质量比M及频率比fn/fso等对圆柱两自由度涡激振动的影响,观察到了圆柱“8”字运动形态及其演化过程.研究结果表明:增大SG、M和fn/fso都能够抑制圆柱涡激振动响应,三者中质量比M对纵向位移的抑制效果更为明显;增大SG和M时位移2Ymax/D一直减小,而增大fn/fso,2Ymax/D会先增大再减小.     

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。     

敲击对海洋立管涡激振动抑制作用的试验研究

该文主要通过试验研究敲击对涡激振动的抑制作用。试验中,管道模型放置在水槽中,管外流速从0.245 m/s到0.60 m/s,相应的约化速度=3～8,在管道涡激振动时先后施加横向及顺流向的敲击击振。研究表明:在非锁振状态下,敲击振动对VIV的抑制作用很小,在一定程度上可能会加剧涡激振动;在锁振状态下,敲击振动能够明显地抑制横向涡激振动及顺流向涡激振动。     

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。     

基于LES的水工钢闸门流激振动数值模拟研究

针对钢闸门流激振动机制的复杂性以及钢闸门流激振动在工程实际中的多发性,以二维平板钢闸门为例,基于ADINA有限元分析软件,建立了不同开度的流场有限元模型和固体有限元模型,探究了不同开度时水工钢闸门动力响应规律,阐明了单、双向流固耦合作用下钢闸门动力响应差异,揭示了水工钢闸门流激振动机制。结果表明：1)随着开度的增大,流场不同位置处脉动压力逐渐减小,钢闸门附近旋涡脱落的频率逐渐降低;2)对于水工钢闸门而言,可以采用单向流固耦合代替双向流固耦合进行计算;3)水工钢闸门流激振动产生的机制主要是钢闸门周围旋涡脱落频率与钢闸门结构第一阶自振频率一致或相近,导致钢闸门发生了共振。     

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。     

泰勒涡的数值模拟

从柱坐标系下N-S方程出发,采用SIMPLE算法,结合混合有限分析法,数值模拟了旋转Couette流失稳后的泰勒涡的流动.计算结果与试验一致,表明了混合有限分析法的有效性和对此流动的适应性.     

单圆柱涡激振动中的振幅不连续和相位切换现象研究

该文对雷诺数Re=100条件下两向自由单圆柱涡激振动进行了数值模拟,圆柱质量比为m*=2.0和m*=10.0,折合流速为U_r=2.0–10.0。研究发现,由于附加质量的影响显著,质量比m*=2.0工况的振动响应在折合流速U_r=3.8(有拍振)到U_r=3.9(无拍振)之间出现了明显的振幅最大值不连续现象,而质量比m*=10.0工况则没有出现。圆柱升力和位移之间的相位在下端分支的中部存在一个接近180°的跳跃,应用小波变换对圆柱升力的频谱研究发现,在相位跳跃前,升力的基频分量占主导;而相位跳跃后,升力的3倍频分量占主导,此时圆柱升力和位移的卓越频率不在相同,最终导致圆柱升力和位移之间相位差的跳跃。     

绕单自由度涡激振动圆柱的速度环量的时空分布特征

对低质量比(质量比为8.63)的单自由度圆柱的涡激振动进行了数值模拟,模拟中选取了四组折合速度(第一组对应位移响应的初始分支,另三组对应下端分支)。模拟所得的圆柱运动响应和升力系数与Williamson的相应实验结果相符。根据模拟所得的流场对各组案例中绕圆柱的速度环量进行了计算和分析,结果表明:①无量纲化速度环量在时空上总体呈交替的条带分布,条带的斜率和宽度分别对应于环量向外传播的速度与环量的变化周期,条带斜率随来流速度增大而增大;②经验正交函数(EOF)分解得到的第1和第2空间模态包含了环量时空分布的主要信息,且其均对应于第一主频;③环量均方根值沿径向的分布在初始分支段与下端分支段之间有显著区别,导致这一差别的主要原因是其对应的尾流脱涡模式不同——分别对应于2S和2P模式。