串列圆柱体尾流、尾涡耦合振动试验研究

基于模型试验方法设计的试验装置能抑制上游立管涡旋产生,研究不同工况时上游立管对下游立管影响。分别对上游立管部产生涡激振动与产生涡激振动两种试验模型进行不同流速、不同间距条件的流致振动试验,通过观察涡旋脱落、测量模型振动分析上游立管有无抑涡设备及上游立管对下游立管横向振动影响。研究表明,上游立管对下游立管振动产生影响,不同于孤立单管。上游无抑涡设备时下游立管的横向振动随立管间距先增大后减小;有抑涡设备时上游立管横向振动在某倍管径后稳定在某定值基本不变。     

高雷诺数下串列粗糙三圆柱的流致振动试验研究

通过试验研究了高雷诺数下串列粗糙三圆柱的流致振动,分析与探讨了刚度、间距比对各个圆柱振幅响应、频率响应、位移频谱的影响,并与串列粗糙双圆柱的结果进行对比,揭示了干扰圆柱数量的增加对受扰圆柱流致振动的影响规律。研究结果表明：在初始分支,上游圆柱对下游圆柱有强烈的屏蔽作用,而在上端分支,出现下游圆柱振幅超过上游圆柱的现象;在上端分支和过渡区域,低刚度条件下,下游圆柱干扰数量的增加可以明显降低上游圆柱的振动频率;在涡激振动区域,下游干扰圆柱数量的增加几乎不影响上游圆柱的振幅;在驰振区域,上游圆柱干扰数量的增加降低了下游圆柱的振幅,并随着刚度的增加对下游圆柱振幅的降低程度下降;间距比对串列粗糙三圆柱的流致振动响应具有显著影响。     

振荡来流下柔性立管涡激振动“分时特性”试验研究

悬链线立管在顶部浮体的带动下,其动力响应会诱发其周围产生相对来流,而这种振荡来流将激励立管悬垂段产生"间歇性"的涡激振动。在海洋工程水池中对不同最大约化速度URmax、KC数组合下的振荡来流作用下的柔性立管进行模型试验研究,利用光纤应变片测量柔性立管模型的涡激振动响应。结合模态分析与小波分析对试验数据进行分析,观察到一种区别于定常来流下的涡激振动响应形式,即具有"振幅调制"及"模态转换"的"分时特性"的涡激振动。最后讨论并总结了最大约化速度URmax以及KC数对涡激振动"分时特性"的影响规律。     

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...     

混输海管严重段塞流的控制

当前我国海上油气开发进一步向深海领域发展,海底混输管线由于距离长,地形起伏变化和立管系统,容易引发严重段塞流现象。在严重段塞流工况下,管线的流动参数均表现出周期性变化,将对管道系统和管道下游生产设备的正常生产工作造成极大危害。文章针对某海底混输管道因低流量和立管系统而存在严重段塞流现象,描述了严重段塞流周期的四个阶段,并采用OLGA软件建立了严重段塞流控制模型,进行PID控制研究。结果表明,通过在立管系统顶部加装节流控制阀,设置控制参数,自动反馈管道入口压力并调节阀门开度,能够有效控制严重段塞流。与传统控制方式相比,更显经济和有效。     

基于模型试验和数值模拟的柔性串列圆柱体涡激振动研究

采用物理模型试验和CFD数值模拟方法研究了大长径比、低质量比的柔性串列圆柱体涡激振动现象。通过分析串列圆柱振幅、振动频率、受力特性和流场结构等特性,着重研究流速和圆柱间距对下游圆柱涡激振动特性影响。研究发现,上、下游圆柱涡激振动幅值差别较大,并且当流速大于某个值后,两者主导频率也不相同,由此提出分离约化速度U r。流速和间距都会影响上游尾流对下游圆柱的作用,其中流速会影响上游尾涡强度及其发展程度,间距会影响上游尾涡发展空间及其与下游圆柱的接触位置。     

下穿地铁隧道爆破振动作用下给水管道动力响应特性研究

为研究下穿地铁隧道开挖过程爆破振动作用下埋地供水管道的动力响应特性,以青岛地铁3号线岭-清段的下穿给水管道隧道爆破工程为例,采用LS-DYNA数值模拟方法进行爆破动力响应计算分析,结合现场对管道正上方地表振动速度监测结果,验证分析了数值模型的可靠性。基于动力数值计算结果,分析了爆破振动作用下管道振动速度及有效应力分布特征,研究了下穿地铁隧道爆破振动作用下给水管道动力响应特性,其中,管道纵向方向上,爆源所在位置管道截面振动速度与有效应力最大,截面环向上,振动速度与有效应力呈现出底部最大,中部次之,顶部最小的规律,同时建立了管道有效应力以及管道正上方地表振动速度函数关系。结合断裂力学理论,确定爆破振动作用下给水钢筋混凝土管的极限动态抗拉强度,其值为2.01 MPa,提出确保管道安全的地表振动速度控制阈值3.32 cm/s。     

双幅连续梁桥钢箱梁涡激振动机理分析

对某双幅钢箱梁连续梁桥涡激振动进行风洞试验和数值模拟研究。基于二次开发UDF(user defined function)程序嵌入Fluent软件进行二维流固耦合分析,模拟了双幅桥梁断面的涡激振动;通过对比节段模型风洞试验及数值模拟结果,验证了数值模拟方法的可靠性,并从流场的角度直观分析双幅钢箱梁断面涡激振动机理。研究结果表明：上游幅主梁断面下表面的主涡与其背风侧的正压区的周期性变化诱发了上游幅主梁断面的竖向涡激振动;下游幅主梁断面上、下表面的旋涡交替作用于主梁断面并脱落,形成了周期性的作用,导致了下游幅主梁断面的竖向涡激共振;下游幅主梁断面上、下表面的旋涡分别在迎风侧栏杆与上游幅箱梁尾部、下游幅箱梁前端得到增强,导致了下游幅主梁断面的涡激振动的振幅大于上游幅主梁断面。研究结果为双幅桥梁或双钝体断面的涡激振动研究提供参考经验。     

均匀流场串列双Π型断面涡激振动气动干扰试验研究

针对串列双Π 型断面涡激振动气动干扰效应,对不同间距比、不同阻尼比条件下,上下游Π 型断面在均匀流场中涡激振动气动干扰效应进行风洞试验研究,并将上下游Π 型断面涡激振动锁定区间、涡激振动振幅分别与单幅Π 型断面进行了对比。结果显示：上下游Π 型断面涡激振动锁定区间基本不随间距比、阻尼比变化而变化,上下游Π 型断面的涡激振动振幅则随间距比和阻尼的变化而变化。上游断面涡激振动气动干扰效应主要受间距比D/B 的影响,当间距比D/B=0.5~1.0 时,对上游断面涡激振动干扰效应最为明显;下游断面涡激振动气动干扰效应主要受上游断面涡激振动振幅影响;随着双幅断面间距比增加,这种干扰效应逐渐减弱。     

基于拓扑网格方法的多钝体流致振动分析

多钝体流致振动是一个较为复杂的流固耦合过程,普遍存在于自然界和工程领域。为了减小高幅振动时网格变形引起的计算误差,基于非定常Navier-Stokes方程对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱流致振动进行数值求解,采用耦合界面结合拓扑网格变形技术,实现流体与多个运动钝体之间的耦合计算。将数值结果与实验进行比较分析,验证了该数值方法是处理高振幅多钝体流致振动的有效方法。研究结果表明上游圆柱的存在对下游圆柱流致振动和旋涡形成产生明显影响。串列双圆柱流致振动振幅和频率响应与实验测试趋势一致,清晰观察到了涡致振动初始分支和上部分支;并且当Re8×10~4时,圆柱流致振动由涡致振动向驰振过渡。圆柱尾涡形态随流致振动分支切换发生变化,当驰振发生时,下游圆柱的尾涡形态受上游圆柱影响难以捕捉。随着双圆柱间距增大,低Re时下游圆柱受到上游圆柱的抑制作用减弱。三维多柱体流致振动计算结果更接近实验值,如何提高三维数值计算速度将是下一步研究工作的重点。     

FDPSO立管涡激振动响应分析

基于FDPSO的概念设计原理,建立了立管系统的力学模型,运动方程的张力作用项中考虑了立管的自重和FDPSO垂荡运动的影响,流的作用力简化为涡漩串作用产生的周期性升力和阻尼力两部分。应用Galerkin法和4阶龙格库塔法求解上述非线性运动方程,重点分析了FDPSO垂荡运动对涡激振动的影响。数值结果表明:当垂荡运动频率引发的参数共振和涡激谐振共同发生时,立管有最大振幅的稳定响应;深海条件下,立管高阶振型响应在总位移中占有一定比重,对总弯矩及剪力分布有重要影响;而垂荡运动的振幅改变对立管的涡激振动影响不大。     

悬索桥双吊索尾流致涡激振动的大涡模拟

双吊索在大跨度悬索桥上应用广泛,在强/台风作用下,下游吊索常发生尾流激振。采用大涡模拟法,对雷诺数为1×10~4～4×10~4的串列双圆柱尾流致涡激振动进行数值模拟,研究了振动特性和流场流态随折减风速的变化规律,探讨了下游圆柱的动力响应、绕流场特性以及气动力三者之间的耦合关系,分析了尾流致涡激振动的流场干扰机理。结果表明:大涡模拟结果与风洞试验结果吻合良好,在某些折减风速范围内,下游圆柱会发生较大幅度的尾流致涡激共振;在下游圆柱的横风向振幅逐渐增大过程中,位移的瞬时相位领先于升力,在一个振动周期内升力对下游圆柱做正功,而位移与升力之间的相位差则逐渐增大;当发生涡激共振时,上游圆柱的尾流对下游圆柱有两种干扰形式:当下游圆柱偏离平衡位置时,从上游圆柱脱落的旋涡与下游圆柱的剪切层发生相互作用;而当下游圆柱在平衡位置附近时,上游圆柱的旋涡会撞击到下游圆柱迎风面。     

严重段塞流引起的海洋立管振动响应

基于改进的严重段塞流瞬态数学模型和平面刚架理论,建立严重段塞流海洋立管耦合振动数学模型,对数学模型进行求解,研究了严重段塞流引起的海洋立管振动响应。数值模拟过程中,采用欧拉法计算严重段塞流流动参数,利用Galerkin法对立管结构动力学方程进行有限元离散,Newmark-β法求解离散方程。为了提高计算效率和精度,采用了变时间步长逐步积分方案。将数值模拟结果与实验数据进行对比,验证了数学模型和数值方法的准确性。对严重段塞流引起的立管系统位移响应、内力和支承力变化进行了深入分析。结果表明：立管系统的振动响应、内力变化规律与严重段塞流的周期性特征密切相关;弹性基础可以极大降低管道结构的振动幅度及内力,尤其是下倾管的弯曲内力;上升管的高频振动幅度较大,轴力和弯曲内力变化也较大。严重段塞流引起海洋立管振动响应的分析对海洋立管设计及其支承防护具有重要的指导意义。     

变工况气液段塞流诱导的柔性立管振动响应

柔性立管广泛用于海洋油气输送,因管内气液两相流压力、密度等的时空变化,易激发立管的振动响应。针 对水动力段塞流诱导的柔性立管振动响应问题,在气液两相流循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线 型柔性立管模型振动响应测试,采用非介入高速摄像测试方法同步捕捉了柔性立管模型的振动位移与管内气液两 相的流动特征。通过改变段塞流混合流速（0.8~3.0 m/s）和气液比（1.0~11.0）,剖析了振幅与振频的时空分布、振 动模态切换等振动特性与管内液塞长度、运移速度、流动频率间的内在联系。结果表明：柔性立管模型的振动主要 由一阶模态主导,振动模态随时间发生切换,即存在时间上的模态切换,根据其特征,辨识了三种模态切换形式,对 实验组次进行了分区。不同的模态切换形式与管内的段塞长度、段塞流动频率以及段塞在管内的分布有关。     

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。     

锰结核泵工作对扬矿管道振动影响的研究

为探讨锰结核泵工作对扬矿管道的振动影响,在实验室建立了扬矿管道振动试验系统,进行了扭转和弯曲振动分析,测试了管道振动特性。研究结果表明,泵运行过程中,管道系统作为一动力系统,不仅产生静态力,而且诱发管道振动,动载荷远高于静载荷(振幅放大系数M=6.75)。试验得出的频率峰值随泵转速变化与理论分析基本一致。     

平台运动与管内流动联合作用下悬垂立管动力响应特性研究

悬垂立管因其经济性被广泛应用在深海油气开发中。悬垂立管在顶端平台运动和内流共同作用下,在顺流向(IL向)会产生动力响应,并与周围流体间形成相对振荡来流。这种相对振荡来流极有可能诱发悬垂立管产生横流向(CF向)的涡激振动(Vortex-induced Vibration,VIV)。为了研究悬垂立管在平台运动和内流联合作用下悬垂立管涡激振动响应特性,开展了悬垂立管模型试验。通过试验和数值模拟的方法,分析了IL向应变、流速、KC数、泻涡频率等分布规律。结果表明:大管径悬垂立管在振荡流场和内流共同作用下,可以产生涡激振动。该试验内流速度区间下,内流作用对于悬垂立管固有频率,KC数和泻涡频率幅值分布,以及涡激振动影响不大。顶部平台运动诱发的涡激振动具有不稳定性。     

不同间距串列双方柱流致振动运动特性分析

多钝体流致振动是涉及流体工程安全性的重要问题,为了探究多钝体流致振动的相互影响,针对不同间隙距离串列弹性支撑双方柱流致振动进行研究,方柱间距变化范围为2-6倍方柱边长D,分析折减速度在4.04-13.46时双方柱振幅及频率响应特性,并与串列被动控制双圆柱流致振动和相关方柱实验进行比较。研究结果表明,当方柱间距大于4 D时,上游方柱振动响应与单方柱实验结果相似,受下游方柱的影响较弱;双方柱流致振动在间距为4 D时得到加强,上下游方柱达到最大振幅,分别为1.06 D和1.10 D;当间距小于4 D时,双方柱流致振动减弱,与单方柱实验结果相比振幅减小;间距对双方柱的振动频率没有表现出明显影响。在折减速度为8.00时,随间距增大,上游方柱能在双方柱间隙内形成完整脱体旋涡,下游方柱的尾涡模态经历了2S(双单涡模态)、P+2S(涡对+双单涡组合模态)、2S的转变过程。     

不同流场下含内流立管涡激振动响应特性及Coriolis力效应研究EI北大核心CSCD

细长结构物在海洋来流作用下会发生涡激振动(vortex-induced vibration, VIV),涡激振动是海洋立管疲劳损伤的主要诱因之一。立管实际工作过程中内部输送油气,产生惯性力、科氏力(Coriolis力)和离心力,使得立管的动力响应变得更为复杂。基于含内流立管涡激振动响应时域预报模型,分别计算了在均匀流和剪切流下含内流立管涡激振动响应,并分析了机理较为复杂的科氏力作用。结果表明:均匀外流下内流会降低立管的固有频率,增大响应幅值;剪切外流下内流会激发出更高阶的模态响应。均匀外流下,科氏力在一定区域内固定做正功或负功,分别引起均方根位移的增大或减小;剪切外流下,科氏力使得立管顶部区域均方根位移升高,中部区域均方根位移降低。内流速度越大,科氏力效应越显著。     

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。