高精度深海立管涡激振动数值预报

针对深海立管涡激振动问题,提出一种高精度的数值预报方法。基于三维Common-Refinement方法,研究了离散后不可压缩流体与非线性超弹性体的非重叠子区域之间的耦合接触面的空间插值。采用Petrov-Galerkin有限元法离散不可压缩流体,并对大变形弹性结构体使用连续Galerkin有限元法行离散。同时使用任意的Lagrangian-Eulerian(ALE)方法处理流固网格的大幅变形,并且采用全解耦的隐式分区方法去分别求解流体域和结构域。为了去满足两者之间液体和弹性耦合界面间牵引力的平衡条件,系统研究了Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性。根据一系列的网格划分方案,对非匹配网格之间的瞬态数据传输做了系统的误差分析,表明了在非匹配网格中非定常流固耦合系统的物理量能够通过Common-Refinement方法进行精确传递。最后将本方法应用深海立管涡激振动问题,并与文献进行了对比。求解结果表明了这种方法在海洋工程流固耦合问题中具有足够的的准确性和可靠性。     

高精度深海立管涡激振动数值预报

针对深海立管涡激振动问题,提出一种高精度的数值预报方法。基于三维Common-Refinement方法,研究了离散后不可压缩流体与非线性超弹性体的非重叠子区域之间的耦合接触面的空间插值。采用Petrov-Galerkin有限元法离散不可压缩流体,并对大变形弹性结构体使用连续Galerkin有限元法行离散。同时使用任意的Lagrangian-Eulerian(ALE)方法处理流固网格的大幅变形,并且采用全解耦的隐式分区方法去分别求解流体域和结构域。基于Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性,满足两者之间液体和弹性体耦合界面间牵引力的平衡条件。本方将Common-Refinement方法应用深海立管涡激振动问题,并与文献进行了对比。求解结果表明:本文方法在海洋工程流固耦合问题中具有足够的准确性和可靠性。     

大型射电望远镜舱索柔性结构涡激振动的数值模拟

基于大幅度涡激共振发生的必要条件，找出了大型射电望远镜舱索柔性结构可能发生涡激共振的漩涡脱落频率锁住区域与相应的临界风速．在满足涡激共振必要条件的情况下，在时域中数值模拟了结构的涡激振动，给出了结构不会发生大幅度涡激共振的研究结论．模拟结论得到了模型实验的验证．     

小倾角倾斜柔性圆柱涡激振动实验研究

海洋工程中柔性圆柱结构疲劳破坏的主要诱因是海流引起的涡激振动。垂直来流作用下柔性圆柱涡激振动研究已取得诸多成果,然而在实际工程中,圆柱轴向与海流并不完全垂直,存在一定倾斜角度。针对这种普遍现象,学术界提出了倾斜圆柱涡激振动的不相关原则,但其正确与否至今存在争议。本文设计了室内模型实验,开展了长径比350,雷诺数800~16 000,质量比1.9,倾斜角度为15°的柔性圆柱涡激振动实验,通过对比垂直圆柱与小倾角倾斜圆柱的实验结果发现,在模态转化区域外不相关原则适用于小倾角倾斜柔性圆柱涡激振动分析,同时观测到在模态转化区倾斜圆柱更容易激发高阶模态。     

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．     

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。     

深海立管涡激振动预报模型及影响因素

涡激振动是立管发生破坏的主要原因之一,深海立管自重大、柔度高、顶部张力集中等会导致出现新的动力特性。为预报深海立管涡激振动并揭示其动力特性,考虑立管自重影响及线性剪切流,本文建立立管涡激振动方程,基于Van der Pol尾流振子模型,采用有限差分法计算立管的振动响应,并设计涡激振动试验进行验证,最后研究流速及顶张力对立管涡激振动的影响。结果表明:流速越大,立管涡激振动频率越高,振动应力越大;同等流速下,顶张力越大,立管涡激振动主频率变化不大,但振动位移增大,振动应力减小。     

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。     

海洋深水立管涡激振动实验研究的发展状况

在海洋环境中,涡激振动(VIV)是流体固体藕合作用的结果,也是流体力学和结构力学的融合;但是耦合的作用力会降低立管寿命,立管一旦发生疲劳破坏,原油的泄漏不仅会使工程蒙受损失,还将引发严重的环境污染和二次灾害,因此深海立管的涡激振动在立管设计中是一个需要考虑的重要因素,近几十年里科研人员在此方面做了大量的研究工作。笔者以海洋立管为研究对象,总结了在流体和结构方面国内外学者对海洋立管涡激振动上的研究成果。为更进一步的海洋立管涡激振动研究提供了理论依据。     

振荡流中圆柱体横流涡激振动特性数值分析

为了探究振荡流效应对涡激振动的影响,本文对振荡流中圆柱体的横流涡激振动进行了数值模拟.对数值模型进行了验证分析,对KC数为25和502种振荡流下的涡激振动进行模拟,得到了圆柱体流体力、位移和涡量云图.结果表明:振荡流能激发圆柱体的多模态振动,且KC数越大多模态特性越明显;在锁定区间主导模态的幅值明显高于其他模态;锁定区...     

海洋立管涡激振动位移响应测试方法及试验研究

海洋立管涡激振动会使立管产生疲劳破坏.实时监测应变并通过应变数据转化为立管的位移,从而可直观、准确地判断海洋立管的状态,预知可能发生破坏的位置并采取应对措施.建立了数学模型,通过理论分析立管的挠度曲率与应变、位移存在的关系,进而拟合立管的挠度曲线.基于挠度曲线的边界条件以及广义最小二乘法确定挠度曲线未知数的求解方法.设计试验方案,搭建试验平台,通过光纤光栅应变传感器及解调仪获得试验数据,求解挠度曲线.并通过试验过程中位移的测量值来验证位移计算值的正确性及可行性,试验结果表明:位移的计算值精度能够满足工程上的要求,该方法可作为检测立管涡激振动的一种方法.     

基于RANS的圆柱风致涡激振动的CFD数值模拟

采用基于RANS方法的SST湍流模型对圆柱涡致振动进行了数值模拟.2D模型建立和网格划分通过专业前处理软件ICEM-CFD实现.保持圆柱的频率不变,通过改变风速来研究圆柱涡致振动的特性.研究结果表明,当约减风速处于4.9—5.1时可以观测到锁定现象,圆柱位移峰值出现在约减风速等于5.023.而且在非锁定区域圆柱的位移反应中可以观察到“拍”的现象.将计算与试验得到的锁定区域进行比较,得到二者结果接近;同时将计算得到的圆柱振动幅值与经验公式和实验数据进行比较,得到了比较满意的结果.     

基于改进湍流模型的圆柱涡激振动数值模拟研究

为准确模拟圆柱体在涡激振动中的升力与阻力,本文对SST(shear stress transport)k-ω湍流模型进行改进,并在圆柱绕流中验证改进模型的正确性。基于OpenFOAM嵌入自编程序进行圆柱双自由度涡激振动数值模拟,采用三种不同的初始条件,通过计算对比三种初始状态下涡激振动的幅值、锁定区间、流体力、运动轨迹以及漩涡脱落特点,发现三种初始条件下得到的结果有一定的差别,相比之下匀加速条件的结果最为精确。研究显示:漩涡脱落模式的突变导致了幅值分支的突变,漩涡脱落体现出的"惯性"是产生"迟滞现象"的内在原因之一。     

圆柱绕流涡致振动的平面湍流数值模拟

为了研究工程中存在的湍流涡致振动问题,应用平面湍流k-ε模型和重整化群k-ε模型,结合分块耦合方法及任意拉格朗日欧拉法（ALE）数值模拟了圆柱绕流涡致振动,求解基于非交错网格系统, 其中包含满足连续性方程的压力泊松方程解法.计算了湍动能、湍流耗散率、湍流黏性系数及柱面涡量的变化情况.结果表明,当雷诺数为5 000～2×105时计算所得的阻力系数与实验数据吻合良好.研究发现,在涡致振动情况下的湍流耗散率比固定圆柱涡脱落情况下小得多,湍流黏性系数与雷诺数呈对数律增长.     

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.     

立管扰流装置Helical Strakes的数值模拟分析

泻涡脱落诱发的涡激振动是海洋立管疲劳破坏的主要诱因,利用Helical Strakes（螺旋侧板）抑制涡激振动对立管的损伤。通过CFD数值模拟软件,对光滑立管和覆盖两种不同螺旋侧板的立管,在不同的雷诺数下进行模拟分析。将得到拖曳力和升力结果与现有的数值和实验结果进行对比,得到相关的拖曳力系数和升力,研究Helical Strakes的相关特性。数值模拟结果表明,螺旋侧板可以影响拖曳力和升力的变化,扰乱流场,很好地抑制漩涡的产生。     

输流钢悬链线立管涡激振动和控制的协同学分析

通过钢悬链线立管结构振动的自组织演化理论进行立管涡激振动和疲劳寿命控制的协同学分析.基于协同学方法,分析序参量和快变量之间的相互联系以及协同影响的复杂关系建立单元节点位移为序参量的立管结构振动演化主方程.通过分析振动演化主方程的非定态解,得到了涡激振动和疲劳寿命的主动控制方法和被动控制方法,其中被动控制包括改变立管的弹性模量、内部流体流速以及结构阻尼比.研究表明:立管的疲劳寿命随着弹性模量的减小而增大;内部流体流速的变化对立管振动幅值影响较大,但是对立管的疲劳寿命影响不明显;在其它条件允许的情况下,结构阻尼比越大越好.通过上述影响因素的调整可以达到立管涡激振动和疲劳寿命控制的目的.