悬浮隧道锚索涡激振动影响因素分析

将锚索运动简化为弹簧质量阻尼系统,锚索周围流场采用RSM(Reynolds Stress Model)结合增强的壁面函数模型计算,利用四阶Runge-Kutta法计算锚索振动方程,并将程序写入FLUENT软件进行流固耦合分析。讨论了锚索质量比、阻尼比、是否考虑流向运动和来流速度对锚索涡激振动的影响,主要结论有：质量比对锚索横向涡激振动幅值影响很小,对约化速度范围影响较大;阻尼比对约化速度范围影响很小,对锚索涡激振动幅值影响较大;在低质量比的情况下,考虑锚索流向运动时,涡激振动幅值比不考虑时偏大。     

低雷诺数中等间距串列双方柱涡激振动的数值模拟

为研究典型间距比串列双方柱的涡激振动特性及其耦合机制,对雷诺数为150、柱心间距比分别为2.0和4.0的串列双方柱涡激振动进行了数值模拟,探讨了方柱振动响应随来流折减速度的变化规律,以及周围流场的流态与其演变过程,重点分析了下游方柱的能量输入机制.两方柱在不同柱心间距比下均以横流向振动为主,柱心间距比为2.0时,均在双涡脱流态内发生“弱锁定”（即方柱在振动锁定区的振动频率锁定值远小于1.0）,其横流向最大振幅皆出现在振动锁定区内且上游方柱振幅较大;在振动锁定区内,上游方柱平均阻力系数的激增导致平均柱心间距急剧减小,扰乱了下游方柱的气动升力对振动的能量输入,导致其尾流中的旋涡极不稳定.柱心间距比为4.0时,仅下游方柱在剪切层再附流态内发生“锁定”,两方柱的横流向最大振幅均出现在振动锁定区外,但上游方柱振幅远小于下游方柱,这是由于两方柱脱落的旋涡相互融合,使得气动升力对下游方柱的能量输入增强,横流向振幅和旋涡的横流向间距随之增大,造成下游方柱的尾流模态为双涡脱流态内的平行涡街模态.此外,下游方柱的横流向振幅在剪切层再附流态内也会出现较明显的极值,其对应的尾流模态均为剪切层再附流态内的平行涡街模态.     

低雷诺数下串列双圆柱涡激振动的数值模拟

针对海洋立管中常发生的流致振动问题,本文采用自主研发的CIP-ZJU数值模型,对雷诺数Re=150条件下串列双圆柱的涡激振动进行模拟。该模型在笛卡尔网格系统下建立,采用具有三阶精度的CIP方法求解N-S(navier-stokes)方程,采用浸入边界法处理流-固耦合问题。本文仅考虑圆柱的横向振动,具体分析不同间距比和折合速度,并分别考虑上游圆柱固定和自由振动两种工况,得到柱体振动响应、受力响应和流场信息,验证了本模型在处理柱体涡激振动问题的有效性。结果表明:串列情况下下游圆柱的最大振幅要明显大于单柱的情况,双圆柱涡激振动的阻力系数普遍比单圆柱涡激振动时要小;上游圆柱固定时,下游圆柱的振动频率几乎不由斯特劳哈尔频率控制;而当上游圆柱自由振动时,在折合速度4≤Ur≤5时,上游圆柱后方产生两列涡,使下游圆柱的运动范围限制在两列涡之间,可对其振动产生了抑制作用。     

均匀平面剪切流作用下圆柱体的涡激振动

对二维平面均匀剪切流作用下,弹性支撑圆柱体在横向和流向运动的涡激振动进行了数值模拟．数值计算实现了雷诺数在[2000,5000]内,圆柱体在不同剪切率[0．01,0．05]条件下的涡激振动．圆柱体的横向振幅、运动轨迹、振动频率和升力系数及位移时历曲线的计算结果表明,对于不同的雷诺数,存在剪切率的“锁定区间”．雷诺数较小时,剪切率的锁定区间较小,随着雷诺数的增加,剪切率的锁定区间增大．在剪切率的锁定区间内,横向振幅增大,脱离剪切率锁定区问后,横向振幅迅速下降．计算结果发现圆柱体的运动轨迹可以完全不同于普遍认可的“8”形轨迹,在剪切率锁定区间内圆柱体运动轨迹似“小雨点”的外形,这是在平面横向剪切流条件下得到的圆柱体运动的新轨迹．     

导流板对海底管线涡激振动的影响

为了分析在海床冲刷形成浅沟后,自埋现象发生前,海底管线处于悬空状态时,竖向导流板对海底管线涡激振动的影响,在此,通过ANASYS软件对不同导流板高度下,管线周围的流场、压力场等进行了数值模拟分析,得出如下结论:安装导流板后,管线受到的升力系数均值小于0,随着导流板高度与管径之比(h/D)的增加,升力系数幅值不断下降,在高度比h/D为0.375时,基本达到最小值,管线受力总体向下,有利于管线的下沉自埋。在导流板高度与管径比(h/D)为0.25时,发生了涡激振动中的"准周期拍击现象"。拖曳力随着导流板的增大而增加,管线受到的横向作用力增加,其对管线的强度要求增加。     

角对角双子塔的气动特性及其抗风设计

为了给角对角双子塔的抗风设计提供参考,采用同步测压风洞试验方法,从结构风荷载与风振加速度的角度研究了角对角双子塔在不同间距和不同风向角下的气动特性与风振响应特点。研究结果表明：就风致响应而言,角对角双子塔存在两个最不利风向角,分别为斜向45°左右和近串联方向的80°左右;在45°风向角附近,角对角双子塔会出现振幅较大的横风向涡激振动,但受到双塔间的气动干扰作用,相应的横风向涡激振动将小于独塔情况,且双塔间有利的气动干扰作用对上游塔比对下游塔更加明显;在80°风向角附近时下游塔将受到上游塔的尾流影响,有可能出现较大振幅的尾流抖振响应;45°左右风向角产生的横风向涡激振动主要出现在亚临界至临界风速下,风速相对较低;80°左右风向角出现的尾流抖振主要发生在超临界风速下,风速相对较高。考虑到大多数超高层建筑的设计风速都小于或接近涡激临界风速,因此控制45°风向下的横风向涡激振动是抗风设计的关键。在这种情况下,采用较小间距的角对角双子塔对抗风设计有利。     

海底管道流固耦合振动数值模拟

将海底管道简化为圆柱体,管道刚度简化为弹簧,结合在壁面附近进行低雷诺数修正的k-ω流体分析模型,采用Newmark-β法进行二次开发,建立了海底管道二维流固耦合振动计算模型.对静止圆柱体在不同间隙比情况的激振力变化规律进行分析,发现间隙比为0.4时易引起顺流向共振,间隙比为0.8时易引起横流向共振.采用数值模拟分析探讨流固耦合状态下涡激振动特点,提出了流固耦合时涡激振动激振基频的修正计算方法,结构振动各参量在横向共振响应频率为流固耦合激振力基频,而顺流向为基频的两倍.     

分体式钢箱梁涡激振动控制试验

目的 以分体式钢箱梁断面为研究对象,研究涡激振动控制措施,提出一新型的控制涡激振种动的格栅板形式.方法 采用大尺度节段模型风洞试验,研究成桥状态该桥的涡激振动特性,并分析不同格栅板样式和空隙率对随风速变化的涡振振幅的影响.结果 中央开槽断面的涡振性能较差,成桥状态涡振最大振幅达31.2 cm,加设50%空隙率格栅板后,涡振的振幅降低到10 cm以下.格栅板是一种有效的控制涡激振动的措施,格栅板的空隙率越小,抑制涡振的效果越好.结论 空隙率相同时,顺桥向格栅和交叉格栅的抑振效果差不多,顺桥向格栅板抑制效果略好.     

完全湍流剪切层对圆柱涡激振动特性的影响

为研究完全湍流剪切层(2×10~4~4×10~4Re1×10~5~2×10~5)下雷诺数对涡激振动动态响应的影响,在OpenFOAM平台下采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型,采用二阶范德波尔方程描述二维圆柱体涡激振动,对完全湍流剪切层下的圆柱绕流涡激振动进行数值计算,分析涡激振动的振幅、频率特性,并在Williamson-Roshko(W-R)图谱中分析旋涡尾迹脱落模式.结果表明:在相同折减速度下提升雷诺数时,圆柱振幅会显著增大,最大振动振幅值高于自由剪切层过渡旋涡区结果及修正Griffin图谱结果.雷诺数对提高圆柱的涡激振动振幅和同步区的范围具有决定性作用,在完全湍流剪切层中,当提升阻尼参数(α≥0.38)时,涡激振动的上部分支消失,振动频率出现"阶跃".     

方柱流致横向振动的CFD数值模拟

为对弹性支撑方柱的流致横向驰振与涡激振动现象进行研究,利用Fluent软件求解Re=500下的粘性不可压流场,方柱振动模型简化为质量-弹簧-阻尼体系,将Newmark-β方法写入用户自定义函数(UDF)来求解柱体运动方程,方柱和流场之间的非线性耦合作用通过动网格实现.考虑了质量比和折合阻尼对方柱振动的影响,结果得到了低频率比下方柱的驰振现象,方柱的最大驰振位移达到2.5倍边长,观察到方柱由驰振到涡激振动的转化.详细分析不同频率比下柱体的升阻力系数、横向位移特征值和尾流涡结构,获得"拍"和"相位开关"等现象.工程中对自振频率较低的方形结构进行设计时需考虑驰振作用的影响,优先采用不易发生驰振的截面形式.     

双自由度变截面圆柱涡激振动数值模拟

针对海洋工程中常见的涡激振动问题,探讨了变截面圆柱形式对涡激问题的抑制效应。将立管振动简化为质量-弹簧-阻尼系统,基于SST k-ω湍流模型联合使用有限体积法对圆柱的涡激振动问题进行研究,采用四阶Runge-Kutta法求解圆柱在涡激作用下的振动响应。讨论了二维圆柱涡激振动的振幅、振动轨迹及涡脱形态,并验证分析方法,在此基础上对三维变截面圆柱的涡激振动问题进行模拟分析。结果显示,变截面圆柱的振动幅度较圆柱的振动幅度有所降低,变截面圆柱的突变处会对涡柱产生"割裂"的影响。该结论为涡激振动抑制效应研究及模型试验提供依据。     

不同系泊条件下浮力筒涡激运动模型试验

为了研究不同系泊条件下小质量比结构的涡激振动响应规律,本文对质量比为0.422、长细比为7的浮力筒开展了不同系缆绳长度和顶端距水面距离工况下的模型试验,并对其运动轨迹、幅值、频率等参数进行了对比和研究,发现:小质量比与细长比浮力筒的振动频率随约化速度的增大而几乎线性增大,仅在很小的范围"锁定"于固有频率,且横向振幅始终较大,未出现下端分支。实验过程中观察到了明显的艏摇现象,通过对浮力筒艏摇运动特性的研究,发现当约化速度较小时,艏摇运动比较杂乱,其中有一个较大的频率分量与横向振动主频率相等。同时,横向振动也有一个较为明显的频率分量与艏摇运动的主频率相等。当约化速度大于6.5以后,艏摇运动与横向振动都趋于稳定,仅有一个主要频率,且两者频率相等,证实了艏摇运动是由浮力筒两侧漩涡交替脱落形成的压力差引起的。     

双频合成振动压实机动态特性仿真研究

为了探讨双频合成振动压实过程的动态响应,建立了"双频合成振动压实机-土壤"2自由度动力学模型,采取仿真研究的方法,分析了双频合成振动压实过程某工况上车和下车的位移、加速度及激振力和压实机对土壤作用力随激振器频率的变化规律.研究结果表明:双频合成振动压实机-土壤2自由度动力学模型具有2个固有频率;随激振器频率的变化,上车和下车位移和加速度出现一阶和二阶共振峰;与激振力不同,压实机对土壤的作用力除受振动参数影响外,还与土壤参数有关;振幅和频率是影响压实机对土壤作用力的重要参数,振幅比频率的影响更显著,振幅的取值应考虑被压实对象,频率的取值应使低频频率比二阶固有频率稍高.     

非线性子系统的大振幅时域自激力模型

针对强风作用下的大跨度桥梁或高速飞行中的机翼可能出现大振幅颤振响应,而现有时域自激力模型又无法模拟大振幅下的非线性气动力问题.提出一种新的非定常大振幅自激气动力模型及其参数拟合方法,新模型通过附加非线性微分方程组及附加气动力自由度来模拟气动力记忆效应及振幅非线性特性.对于同一主梁断面,使用一组模型参数即可模拟不同折算风速和不同振幅下的自激力,模型参数可通过风洞试验或CFD数值模拟结果拟合获得.结果表明,新模型能再现自激力阻尼特性随折算风速和振幅的变化,通过单频振动拟合得到的新模型能再现多频振动下的非线性自激力时程.     

下游圆柱涡致振动的升阻力特性及涡脱落模态分析

采用分块耦合方法结合任意拉格朗日欧拉法数值求解非定常二维不可压缩NS方程和Poisson
方程，分析了下游圆柱涡致振动的涡脱落模态以及升阻力特性。圆柱振荡频率比值为0.30～1.49。分析了
各种模态之间相互转化的跃迁点、升力与振幅间相位和模态间转化的关系，以及初始涡量形成的差异与模
态间转化的关系，研究了当涡脱落向下游移动时的演化和重组现象。研究发现，涡的横向和流向间距以及
涡街的大小随频率比的变化而变化；存在3种典型的涡脱落模态，即2P、2S 和 P+S模态，各种模态之间相
互竞争从而促进了流体与结构间相互作用的发展。     

高架桥横向地震反应参数分析

建立了高架桥双自由度体系横向地震反应的计算模型以及运动方程,利用解析方法及数值分析方法对城市高架桥结构横向地震反应参数进行了比较分析.阐述了阻尼比、质量比、刚度比以及扰动频率等参数对桥墩振动反应的影响规律.结果表明:主梁与桥墩的质量比对桥墩振动的影响较小,适当增加阻尼比及支座的刚度可以减小桥墩的振动反应.     

不同间距比下串列平板绕流尾迹的LDA试验研究

本文以串列平板为研究对象,运用激光多普勒测速技术(LDA),研究了亚临界雷诺数Re_D=3×10~4下,间距比T/D在1～6之间的上下游平板近尾迹区时均速度、脉动速度分布及其频谱特性,探讨了间距比变化对串列平板绕流尾迹的影响。试验结果表明:小间距比下(T/D3),上游平板尾迹受下游平板抑制作用显著,无明显涡脱产生;随着间距比增大,这种抑制作用逐渐减弱,上游平板尾缘处出现明显涡脱。上游平板近尾缘区(x_1/D≤0.5),间距比对其尾迹影响较小;远离尾缘区(x_1/D 0.5、x_2/D 0.5),间距比对上游平板尾迹影响更为显著。间距比T/D≥3时,上下游平板均能形成稳定涡脱,且随着间距比增大两平板流动状态趋于一致,均趋向于单平板绕流。T/D=3可作为该雷诺数下,串列双平板绕流的临界间距比,此处St数有极小值。     

悬浮隧道管体及锚索耦合作用的涡激动力响应

为了解决悬浮隧道在水流作用下的动力响应问题,对管体及锚索系统的参数振动和涡激振动进行了研究.利用Hamilton原理,通过综合考虑悬浮隧道管体和锚索系统的耦合振动效应,推导了锚索-管体耦合系统运动的微分方程组,采用变量分离及振型叠加法对其进行求解简化,同时对5种典型工况和参数设置下的锚索跨中位置和管体跨中位置的位移时程曲线进行了计算和比较,分析了悬浮隧道锚索-管体耦合系统振动的非线性特性.结果表明：锚索与管体之间耦合振动呈现“拍”的特征,管体的初始扰动对锚索瞬态振幅有很大影响,锚索的涡激振动能激发系统的参数振动,系统稳态振幅取决于涡激力的大小,锚索合理倾斜角在45o～60°之间.     

流线闭口箱梁断面涡振过程分布气动力演变特性

涡激振动是大跨度桥梁在低风速下较常见的风致振动现象,探究涡振机理是桥梁涡激振动效应评价与控制的重要前提.为深入研究涡振机理,立足于涡振发展的完整过程分布气动力与结构行为同步演变特性分析,深入揭示了分布气动力及其结构行为作用机制.以典型大跨度桥梁闭口流线型箱梁断面为对象,实现了弹性悬挂节段模型同步测力、测振和测压风洞试验.针对典型涡振过程风速关键结点,对比研究了涡振发生前、锁定区上升区、振幅极值点、下降区以及涡振后等不同时期箱梁表面分布气动力演变特性.研究表明,涡振过程箱梁分布气动力特性具有明显的变迁历程,集中体现在涡振锁定区内外表面气动力特性具有显著差异,压力系数根方差、振动卓越频率处压力系数等统计参数与涡振振幅高度相关,气动力与涡振振幅具有明显同步演化关系,尤其是上表面下游、下表面与下游风嘴转角附近区域气动力演变特性显著,是引起涡振的主要原因.该研究为涡振机理研究提供了一种新的思路和方法,未来可应用于其他类型主梁断面.     

海底管线管跨段模糊动力可靠性分析

当海底管线受到复杂的环境载荷作用时,有必要对其动力响应和可靠性进行分析。首先,对海流和海浪作用下管跨产生涡激振动的机理进行了分析,建立了管跨在横向涡激振动下的力学模型,并应用振动理论得出振动微分方程,采用Galarkin方法求解出固有频率和动力响应规律。然后根据首超失效准则、疲劳失效准则和混合失效准则这三种模糊失效准则给出相应的模糊动力可靠性计算公式。最后给出具体算例验证了建模的可行性。从管跨的可靠性分析中看出,由海浪和海流引起的涡激振动是破坏管跨的主要因素之一。给出的管跨模型忽略了管跨端部土壤支撑的复杂性和地震载荷的作用,需要进一步做实验来探讨。