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。     

振荡流下细长柔性圆柱涡激振动数值分析

涡激振动是造成立管疲劳破坏的最主要原因之一。目前,多数柔性圆柱涡激振动的数值模拟与模型试验,都是基于均匀流、剪切流和阶梯流等稳定流作用下,而振荡流作用下的柔性圆柱涡激振动研究相对较少。实际远洋深海情况下,细长柔性立管所处的海洋环境更为复杂,因而有必要深入研究复杂流场作用下的柔性圆柱涡激振动现象。该文采用切片法并基于开源Open FOAM平台开发的细长柔性立管流固耦合求解器viv-FOAM-SJTU,进行振荡流作用下细长柔性圆柱的涡激振动数值模拟。该文主要研究不同振荡流周期对细长柔性圆柱涡激振动的影响。数值模拟结果表明振荡周期与柔性圆柱涡激振动半振荡周期内的"锁定"区域大小密切相关,同时也观察到了间歇性涡激振动,模态跃迁等现象以及涡激振动的产生、锁定和消亡过程。     

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...     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

两层黏性流体中直立圆柱体绕流的三维数值模拟

研究了两层流体中直立贯底圆柱体的三维黏性绕流问题.以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,应用VOF方法追踪两层流体的内界面,建立了该问题的数值模拟方法.成功地数值模拟了两层流体中圆柱体黏性绕流产生的三维尾涡特征,表明了流体的密度分层效应对直立贯底圆柱体的尾涡特性和阻力系数都是有影响的.在海洋立管涡激振动的研究中,考虑流体的密度分层效应是重要的.     

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.     

非对称尾部形状水翼水力阻尼识别方法研究

水力阻尼是影响流激振动幅值预测精度的关键参数,是水力机械流激振动领域研究的热点问题。非对称尾部形状水翼在涡激振动和升力的联合作用下,振动响应的平衡位置具有时变特性,采用传统自由振动衰减法获得的水力阻尼比误差大幅度增加,甚至失效。为了克服传统自由振动衰减法应用局限,本文借助双向流固耦合数值模拟方法获得流激振动响应位移,通过带通滤波结合平衡位置校准,研究了动水环境中对称和非对称尾部形状水翼水力阻尼的识别方法。结果表明,数值模拟可较准确获取低阶结构模态和尾部旋涡脱落频率,相比实验结果,低阶弯曲模态频率、低阶扭曲模态频率和15 m/s流速下脱落涡频率最大偏差分别为7.58%、2.90%和1.42%;带通滤波可消除周期性涡激振动对响应信号的影响,水力阻尼比识别偏差度从7.51%下降到1.92%;平衡位置校准方法可采用多项式拟合法、线性插值法和光滑样条曲线法,所对应的水力阻尼比识别偏差度分别为34.93%、3.53%和0.16%。工程上,可优先推荐滤波结合线性插值法,在需要高精度水力阻尼比的场合,则必须采用滤波结合光滑样条曲线法。     

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。     

悬浮隧道锚索—阻尼器系统涡激振动研究

为研究水下悬浮隧道锚索-阻尼器系统在参数激励和涡街作用下的振动特性,建立了锚索-阻尼器系统参数振动和涡激振动数学方程,采用伽辽金法对方程进行化简,并用龙格-库塔法对方程进行数值求解。计算结果表明,设置黏弹性阻尼器对锚索的涡激振动和参数振动都有较好的减振效果;为防止锚索发生参数振动,设计悬浮隧道时应避免隧道的一阶固有频率在锚索一阶固有频率的2倍附近。     

三维非定常湍流尾水管涡带数值模拟

采用全流道三维非定常流动数值模拟方法,研究了混流式水轮机在部分负荷工况运行时,尾水管涡带在尾水管内引起的压力脉动现象。计算工况为典型的部分负荷工况,单位转速为70.52r/min, 单位流量为0.679m3/s。计算结果表明在4个计算点都得到了涡带低频压力脉动：频率为0.333Hz, 是转频1.25Hz的1/3.75,相近工况（n11=71.25r/min,Q11=0.689m3/s）模型试验测得涡带频率为5.31Hz, 是转频18.62Hz的1/3.51,从涡带频率看计算结果与试验测量结果一致。研究成果表明数值模拟方法是可行的,可以在设计阶段预测尾水管内涡带压力脉动的特性。     

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。     

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。     

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。