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。     

考虑锚索松弛状态的悬浮隧道参数振动响应分析

为研究在索端参数激励作用下考虑锚索松弛效应的水中悬浮隧道振动响应,建立了锚索的参数振动方程,并采用伽辽金法对其进行化简,在此基础上分析了是否考虑锚索松弛两种情况下锚索的跨中位移和轴向张力响应。计算结果表明,锚索较易出现松驰情况,其对隧道振动响应的影响不可忽略,松弛出现与否与轴向激励幅值有关;考虑锚索松弛时,在整个张力时程范围内,锚索轴向张力小于零的时间非常短;是否考虑松弛对锚索的最大正向、负向位移均有影响。     

基于Lyapunov指数的悬浮隧道锚索振动稳定分析

为分析水下悬浮隧道锚索在均匀流作用下振动的稳定性问题,建立了锚索的振动方程并用伽辽金法对其进行了简化。采用Lyapunov指数法判断了锚索涡激振动的稳定性,同时分析了锚索阻尼比、初张力、均匀流速和涡激频率对锚索振动稳定性的影响。研究结果表明,随着均匀流速的增加,锚索逐渐从稳定状态转变到不稳定状态;锚索振动系统的初张力、阻尼比越大,锚索就越容易趋于稳定状态;当涡激频率与锚索一阶固有频率接近时,会发生涡激共振现象,锚索最容易失稳。      

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.     

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。     

锚索倾角对不同截面悬浮隧道运动响应影响研究

张力腿式悬浮隧道通过张紧的锚索连接使其淹没于深海中,锚索倾角对波浪作用下的悬浮隧道的运动特性有重要影响。该文基于势流理论,将锚索系统进行简化,由水平和垂直方向的线性弹簧代替,建立二维时域模型,计算波浪与张力腿式悬浮隧道的相互作用问题。采用高阶边界元方法对物体表面以及自由水面进行离散,通过相应的边界条件建立积分方程求解物体表面速度势。应用Newmark-β法求解悬浮隧道管体的运动方程,分析悬浮隧道在不同入射波浪条件下的运动特性,针对圆、椭圆、耳形和双圆四种截面形状结构在不同锚索倾角下随入射波波频变化的运动响应进行分析比较。结果表明锚索倾角对结构的运动影响较大,结合四种截面在不同锚索倾角下的水平和垂直方向运动可知50.63°-56.25°范围内结构在波浪作用下会比较稳定。水平方向椭圆截面的位移变化随着波浪角频率的变化最为平缓且位移值较小。垂直方向圆截面的位移变化随着波浪角频率的变化最为平缓,其余三种截面变化趋势相似但位移值在共振处差异显著,双圆结构共振峰值最大,椭圆与耳形相近。该研究可为悬浮隧道设计后续的其他计算模型和结构整体的运动分析提供数据参考。     

水中悬浮隧道合理支撑间距分析

当悬浮隧道穿越水道较宽时,需要在两岸之间设置支撑系统.支撑系统设置是否合理直接关系到悬浮隧道的稳定性和修建成本.为得出合理的支撑间距,本文从悬浮隧道稳定性角度出发,将两支撑之间悬浮隧道管段简化成简支梁,采用线性化流体-结构相互作用力,在涡激作用下考虑振动时结构的非线性建立控制方程.采用Melnikov方法进行稳定性分析,以系统出现混沌为系统稳定控制条件,在假定其它条件不变的情况下得到以悬浮隧道支撑间距为控制变量的稳定性判据.     

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。     

采用新的结构—尾流反作用力耦合模型分析圆柱结构涡激共振

该文建立了一个新的结构-与尾流振子流固耦合模型.采用具有非线性阻尼的振子来模化、van der pol方程来描述流场近尾迹动力学.以结构与流体的受力互为反作用力的关系,建立了新的流固耦合模型.使用该文的模型对二维结构涡激振动问题进行研究,能很好地预计结构涡激共振的特性.计算结果表明,结构共振的最大振幅随着结构的数和质量阻尼参数的增大而减小,与实验结果规律一致、数值吻合.根据该文的模型计算结果给出了预测共振振幅值的拟合公式,并给出了共振情况下升力、相位等的变化规律.     

基于LES的水工钢闸门流激振动数值模拟研究

针对钢闸门流激振动机制的复杂性以及钢闸门流激振动在工程实际中的多发性,以二维平板钢闸门为例,基于ADINA有限元分析软件,建立了不同开度的流场有限元模型和固体有限元模型,探究了不同开度时水工钢闸门动力响应规律,阐明了单、双向流固耦合作用下钢闸门动力响应差异,揭示了水工钢闸门流激振动机制。结果表明：1)随着开度的增大,流场不同位置处脉动压力逐渐减小,钢闸门附近旋涡脱落的频率逐渐降低;2)对于水工钢闸门而言,可以采用单向流固耦合代替双向流固耦合进行计算;3)水工钢闸门流激振动产生的机制主要是钢闸门周围旋涡脱落频率与钢闸门结构第一阶自振频率一致或相近,导致钢闸门发生了共振。