剪切来流下柔性圆柱体涡激振动响应试验研究

应用模型试验的方法,深入地研究了柔性圆柱体在剪切来流下的涡激振动响应。试验过程中通过旋转臂架从而形成相对剪切来流。通过测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到圆柱体的涡激振动位移响应。研究结果表明:当折合速度较小时,响应频率会全程参加涡激振动;随着折合速度的上升,响应频率则会间歇性地参加涡激振动。涡激振动响应在横流方向仅存在一个锁定区域,而在顺流方向则存在两个锁定区域,其中第一个锁定区域与横流方向吻合。     

圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合模型研究

基于尾流振子模型对刚性圆柱体在横流以及顺流方向涡激振动耦合模型进行了研究。首先建立了横流以及顺流方向考虑结构几何非线性的结构振子以及尾流振子模型,其次基于二阶精度中心差分格式对模型进行先离散后迭代求解,再次通过与他人实验结果进行对比验证了该数值模型的可靠性,最后对不同质量比、不同结构阻尼比以及不同几何非线性系数下圆柱体涡激振动响应振动幅值以及振动轨迹进行了分析。分析结果表明:随着质量比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值均呈下降趋势,锁定区间宽度逐渐变窄。随着结构阻尼比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值同样呈下降趋势,而锁定区间宽度逐渐变宽。随着折合速度的增加,结构振动轨迹依次出现斜"8"字形、"月牙"形以及正"8"字形。随着几何非线性系数的增加,横流以及顺流方向振动幅值从上分支进入低分支时的位移突降现象会变得越来越明显。     

基于改进尾流振子模型的柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

基于改进的尾流振子模型对柔性圆柱体涡激振动响应特性进行了数值研究,先分别建立了柔性圆柱体结构振子模型以及尾流振子模型,随后将二振子模型进行耦合。研究中通过改变无量纲张力、细长比以及质量比等无量纲参数,对柔性圆柱体的振幅比、相位角、频率比以及位移响应时间特性等参数进行了分析。分析结果表明:柔性圆柱体涡激振动响应特性呈现典型的行波特性,行波传播速度随着无量纲张力的增加而呈现上升趋势;行波传播速度随着细长比的增加呈下降趋势。随着无量纲张力以及细长比的增加,位移与升力之间的相位角会发生突变,突变点均发生在振动频率经过固有频率处。     

基于改进尾流振子模型的柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究EI北大核心CSCD

基于改进的尾流振子模型对柔性圆柱体涡激振动响应特性进行了数值研究,先分别建立了柔性圆柱体结构振子模型以及尾流振子模型,随后将二振子模型进行耦合。研究中通过改变无量纲张力、细长比以及质量比等无量纲参数,对柔性圆柱体的振幅比、相位角、频率比以及位移响应时间特性等参数进行了分析。分析结果表明:柔性圆柱体涡激振动响应特性呈现典型的行波特性,行波传播速度随着无量纲张力的增加而呈现上升趋势;行波传播速度随着细长比的增加呈下降趋势。随着无量纲张力以及细长比的增加,位移与升力之间的相位角会发生突变,突变点均发生在振动频率经过固有频率处。     

不同入射角下圆柱涡激振动的数值研究

采用二维非定常雷诺平均N-S方程和剪应力运输k-ω模型,结合四阶龙格-库塔法,选取4种不同入射角(α)对二自由度圆柱涡激振动响应影响进行数值研究。比较了不同来流角度下圆柱涡激振动幅值、结构振动频率、锁定区间、漩涡脱落模式、斯特劳哈尔数、水动力系数和捕能效率的影响。数值结果表明,来流角度变化会使圆柱涡激振动响应产生多频率特性,且随着来流角度的增加y方向振幅逐渐减小,x方向振幅逐渐增大。不同来流角度下涡激振动响应均产生明显的锁定现象,锁定区间宽度随来流角度的变化不明显。但随着来流角度的增加,y方向力系数均方根与x方向力系数均值均有下降的趋势。     

基于实验的浮式圆柱体涡激运动研究

为研究浮式圆柱体在均匀流下涡激运动响应,对其进行了水槽模型实验研究。测试了约化速度自1.3~10.2范围内的有、无螺旋侧板圆柱的运动响应,从响应幅值、涡泄频率等多个角度出发,分析了其涡激运动的关键特征。研究表明:裸圆柱在约化速度5.5~8之间发生锁定现象,增加螺旋侧板后抑制涡激运动效果显著,且无明显锁定现象;流固耦合作用下,涡激运动横荡频率不再符合斯托哈尔频率变化规律。     

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。     

大跨度变截面连续钢箱梁桥涡激振动线性分析法

涡激力沿主梁跨向具有偏相关性,基于Scanlan涡激力经验线性模型,假定涡激振动风速下,整个梁段涡脱频率锁定,提出适用于变截面连续梁桥的三维涡激力经验线性模型,从而建立节段模型与变截面梁实桥之间涡激振动幅值之间的关系。通过变截面梁几个典型位置截面的节段模型风洞试验,获得描述整个变截面主梁三维涡激力经验线性模型等效参数,实现对整个变截面连续梁桥涡激振动响应的评估。并通过某典型的三跨变截面连续钢箱梁桥涡激振动风洞试验,验证了理论的有效性。     

悬浮隧道锚索的涡激动力响应分析

参考斜拉桥拉索的振动微分方程,利用动力学方程和莫里森方程,建立了锚索涡激振动方程,计算并讨论了锚索倾角、张力和长度的改变对其横向振动的影响。计算结果表明:锚索拉力和倾角的减小将引起振动幅值的增加和一阶固有频率、引起涡激流速锁定的流速、最大响应时的参数激励频率的减小;锚索垂直深度的减小将引起振动幅值的减小和一阶固有频率、引起涡激流速锁定的流速、最大响应时的参数激励频率的增加。     

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。     

深海顶张式立管顺流涡激振动响应预报方法

针对深海顶端张紧式立管,基于刚性圆柱体顺流方向受迫振荡实验的水动力信息,采用有限元方法和能量平衡原理,建立了立管顺流涡激振动幅值响应的分析模型。该模型计及了立管横流方向涡激振动对顺流升力放大效应,根据激发力来源不同,分无量纲频率响应区间计算幅值并进行加权模态叠加。预报结果与Chaplin阶梯状来流涡激振动实验测量数据对比,吻合程度较好。     

考虑流固耦合的弹性圆柱体涡激振动研究

利用CFX软件对质量比为7和3.24时圆柱体两向自由度涡激振动进行数值模拟,捕捉到了"锁定区"、"拍"和"相位开关"等现象,探讨了质量比对涡激振动的影响。最终通过研究表明:流固耦合在圆柱体涡激振动分析中应予以考虑;质量比为3.24时的锁定区范围、最大横向振幅以及达到锁定时的流速要比质量比为7时的大;质量比为7时顺流向频率一直为横向频率的2倍,但当质量比为3.24时,顺流向频率在较低约化速度(Ur≤4)下为横向频率的2倍,在较高约化速度下有两个值,一个为横向频率的2倍,另一个与横向频率接近。     

桥梁吊杆典型风致振动幅值响应质量阻尼效应研究

涡激共振与准定常驰振临界风速相近时,矩形杆件易发一种涡振与驰振耦合风致振动,区别于锁定区间涡振和发散性驰振,是一类响应幅值随风速的增加而线性增长的"软驰振"现象,质量、阻尼是影响耦合程度和估算幅值的关键参数。基于一组宽高比1.2∶1矩形截面杆件节段模型,通过调整模型系统等效刚度、等效质量和阻尼比,实现了Reynolds数一致情况下,相同质量不同阻尼比、相同阻尼比不同质量以及相同Scruton数不同质量、阻尼组合下风振响应对比试验研究。研究表明:耦合状态下,组成Scruton数的质量、阻尼参数对"软驰振"幅值响应的影响是独立的,权重相同;存在影响"软驰振"幅值响应Scruton数"锁定区间(12.4～30.6)","锁定区间"内,无量纲风速-幅值响应曲线线性斜率(Slope)不随Scruton数变化而变化,并存在一个使风致振动由耦合状态转变为非耦合状态的Scruton数"过渡区间(26.8～30.6)";修正了"软驰振"响应幅值估算经验公式,可用于类似工程杆件设计风速范围内的幅值预测。     

海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正

对输送液体的模型管道进行了涡激振动试验研究,试验结果表明:当理论涡脱频率与管道的固有频率不一致时,作用在振荡管道上的涡激力并非简谐扰力,而是具有一定带宽的窄带随机扰力。因此,管道的涡激振动响应也是一个随机过程。当理论涡脱频率与管道的固有频率接近时,管道的涡激振动响应逼近简谐振动。试验结果也表明:作用在振荡圆柱体上的涡激力频率不仅是流速和圆柱体直径的函数,也是圆柱体固有频率的函数。     

振荡流下柔性立管涡激振动时域响应研究

引入受迫振动试验所得流体力系数库,采用全新的锁定判定区间及锁定准则,针对柔性立管振荡流条件下涡激振动问题提出了一套可供选择的时域预报数值方法。涡激振动流体力由瞬时来流速度及立管截面运动共同决定,相关流体力系数为无因次幅值及频率的函数。基于上述方法对某4 m立管模型不同KC数及最大约化速度的振荡流工况进行模拟,预报结果与相应试验实测吻合较好,并捕捉到振幅调制、迟滞、频率转换及高频谐振等现象。进而,对于不同KC数及最大约化速度组合的振荡流工况下立管动力响应表现出的诸多有别于定常流条件的特性,从涡激振动发生机理层面进行分析讨论并给出合理解释。最后,通过对振荡流与均匀流下立管涡激振动响应进行对比发现,在流速相当的条件下,振荡流工况的涡激振动均方根位移大于对应均匀流工况的对应值;而当最大约化速度相同时,较小的KC数对应较大的涡激振动均方根位移。     

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。     

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。     

涡激振动型水力复摆式压电俘能器的仿真与实验研究

针对低速水流的能量收集问题,提出了一种复摆式涡激振动压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁与尾端圆柱平行连接组成,具有免予封装绝缘,振动响应大,易于在低速水流中产生涡激共振等优点。通过流-固-电耦合仿真分析和实验测试的方法,研究了水流流速对复摆式压电俘能器振动和俘能的影响规律。结果发现,俘能器的输出功率随负载电阻先增大后减小,存在最优电阻可使俘能器的输出功率最大。俘能器的振动幅值和功率输出均随流速的增大而先增大后减小,在涡激共振处出现最大值;振动频率整体随着流速的增大而增大,但在涡激共振区域,由于"锁定",俘能器的振动频率基本保持在俘能器的固有频率处。俘能器输出功率随圆柱直径的增大而增大,但涡激振动速度也相应的提高。     

表面粗糙度对导线风荷载及涡激振动的影响

输电导线的截面形状对导线的气动力特性有重要影响,其风压占整个输电线路风压的50%~70%。采用基于RANS的SST k-ω湍流模型,对真实粗糙截面和光滑截面导线的气动特性及横向涡激振动进行数值分析,并和试验进行了对比。利用ICEM对流体计算域进行结构化网格划分,采用动网格和滑移网格模型,将计算结构响应的Newmark-β通过UDF代码嵌入FLUENT软件,建立2D圆柱横流向涡激振动的计算模型;通过改变折减风速和雷诺数,研究均匀来流高雷诺数下输电导线的气动力和振动特性。结果表明,考虑导线表面粗糙度后,固定导线的气动力以及斯托劳哈尔数有所降低;导线涡激振动的"锁定"区的范围变广,振动幅值变大;当折减风速为5.766时,粗糙截面涡激振动的峰值振幅达到0.9D;导线的气动力以及涡脱模式也出现较大变化,即导线表面粗糙度对导线的气动特性影响较大。     

地面效应对近流线型断面涡激共振性能的影响

当桥面接近地面时,地面的存在会使断面的绕流情况与远离地面时不同,有可能对主梁在风荷载作用下的静力和动力响应产生不利的影响,而主梁离地高度将成为影响主梁气动性能的重要因素。基于风洞试验和计算流体动力学(CFD)相结合的方法,对存在地面效应的近流线型断面的涡激共振性能进行研究。首先,基于风洞试验获得近流线型断面在两种粗糙度地面、三种风攻角、四种离地高度下的涡激共振区间和振幅及其随离地高度的变化规律,试验结果表明,地面效应会使得涡激共振区间提前但涡激共振幅值有所减小。其次,采用CFD识别各试验工况下的断面的绕流特征、锁定区间和最大振幅,并通过静态和动态流场可视化分析,分析了地面效应对近流线型断面涡激振动的影响机理。