考虑流固耦合的大柔性圆柱体涡激振动非线性时域模型

基于流固耦合的涡激升力模型和Morison方程,提出了一个非线性的圆柱体涡激振动时域分析模型。该模型不仅考虑了脉动拖曳力诱发的顺流向涡激振动,而且考虑了横向的流固耦合问题。该模型物理意义清楚,其非线性包括流体阻尼的非线性性质和涡激升力与圆柱体响应的相关性,这些非线性性质是该模型区别于现有涡激振动分析模型的主要特征。分析表明,该模型较好地反映了圆柱体涡激振动的本质,与现有的商业软件吻合较好。     

尾流干涉及边界效应对两圆柱体涡激振动的影响

基于CFD数值模拟研究了不同排列方式的两圆柱体涡激振动问题,采用ANSYS/CFX计算了刚性圆柱体和弹性圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力,计算了上下游圆柱体和横流向相邻圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力。基于数值分析结果分析了流固耦合效应对圆柱体涡激振动的影响,分析了尾流干涉现象对尾流圆柱体和边界效应对横向相邻圆柱体涡激振动的影响。研究表明,尾流干涉及流固耦合作用将大大增加尾流圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力;而边界效应和流固耦合对垂直来流的两圆柱体涡激升力和脉动拖曳力有增强的作用,并造成两圆柱体的涡激升力之间产生了相位差,最大相位差为180°。     

影响从涡激振动中获取能量的参数研究

涡激振动是一种常见的流固耦合现象,当结构物振幅较大时,可利用涡激振动从海洋流中或河流中获取能量。论文通过流固充分耦合数值方法,对二维弹性支撑圆柱体在均匀流中的横向涡激振动进行了模拟。用该数值方法对4种方案进行计算,分析质量比m*、阻尼比ζ、质量阻尼比m*ζ和固有频率fn对圆柱体从涡激振动中获取能量效率η的影响。结果发现m*、ζ、m*ζ和fn都会影响η,且存在一个最优的m*ζ值,使能量获取效率η最大。对基于这一想法的振动系统的设计,论文结论可作为参考。     

钢悬链式立管涡激振动流固耦合非线性分析方法研究

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展,钢悬链式立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管,涡激振动是钢悬链式立管设计的核心问题。本文运用柔性索理论,采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁模型模拟SCR,并根据本文提出的钢悬链式立管非锁定区考虑流固耦合的两向涡激振动模型,研究立管尤其是触地点处的涡激振动特性,算例表明,考虑流固耦合的两向涡激振动模型能够较好的模拟钢悬链式立管的涡激振动,可进行均匀流场中涡激振动的研究分析;钢悬链式立管触地点处的涡激振动响应较大且复杂,应作为SCR涡激振动研究的关键点。     

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。     

三稳态电磁式涡激振动俘能装置发电性能研究

涡激振动能量转换装置涉及水流-圆柱型钝体-发电机之间复杂的流固电耦合问题。将非线性回复力、单向离合器和齿轮齿条机构引入到涡激振动俘能装置中,提出了一种三稳态涡激振动俘能装置,实现了将钝体的往复振动转化为驱动转子发电机单向转动的传动方案,采用Van der Pol方程描述流固耦合,建立了力学模型和考虑流固电耦合动力学方程。借助数值仿真,与双稳态涡激振动俘能装置的动力学响应和发电功率进行对比,证明了三稳态涡激振动俘能装置的优势。进一步获得了俘能装置中质量比、钝体直径和负载电阻对发电功率的影响规律,给出了某一流速下俘能装置出现最大发电功率的最佳结构参数,最后分析了飞轮惯量大小对发电功率的影响。     

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。     

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。     

非均匀来流下深海立管涡激振动响应研究

针对顶端张紧式深海立管的特点，采用简化后的振动模型，结合刚性圆柱体自激振荡与受追振荡实验数据，建立了深海立管在非均匀来流下涡激振动响应的简化分析模型。各阶模态的响应位移通过平衡涡激锁定区域内柱体的输入能量与非锁定区内流体阻尼的耗散能量计算得到。该模型能充分体现涡激振动现象中频锁范围、附加质量以及非线性流体阻尼等本质特点，且形式简洁，计算方便。通过与实验结果的对比显示，该模型是可行的。     

采用改进尾流振子模型的柔性海洋立管的涡激振动响应分析

建立了柔性杆件在非均匀流作用下的涡激振动响应预测模型,考虑了涡激振动锁频阶段流体附加质量的变化,以及振动响应和来流简缩速度的非线性关系。该模型通过经验公式结合迭代求解的方式,计算方便、速度快,避免了数值计算(CFD)的繁琐,较为适合于海洋工程实际应用。与试验和数值结果的比较表明采用该文提出的计算模型,可以更合理、准确地给出结构涡激振动响应。最后,结合实际平台参数,进行了柔性立管在非均匀流场的作用下的涡激振动响应分析,并研究了立管的预张力、流场分布等参数的影响。分析结果表明:随着立管张力和流场分布的改变,各阶模态锁频区域发生了变化,从而改变了结构的总体响应     

水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟

西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥,下部结构采用双圆柱桥墩。2018年7月,在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。实测表明:桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振,横桥向为随机微振动;顺桥向最大加速度约为0.08 m/s2,梁端最大位移约为1.56 mm。基于一阶纵向振动模态参数,将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系,在2 m/s~10 m/s流速范围内(折减流速U_r=1.69~8.45、雷诺数Re=2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟,得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正,得到了墩顶位移随流速变化的关系。结果表明:上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用,在3 m/s~6 m/s流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。在考虑三维修正后,ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。随着阻尼比ζ的增加,涡振最大振幅变小,锁定区间基本不变。     

海洋输液立管涡激振动响应及其疲劳寿命研究

以FrancisBiolley改进的vanderPol尾流振子模型为基础,考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用,建立了海洋立管涡激振动微分方程,用Hermit插值函数对立管微分方程进行离散,并用Miner理论对立管的疲劳寿命进行分析,通过编程和实例计算,分析了管内流速对涡激响应幅值和疲劳寿命的影响。结果表明,当管内流体流速变化使立管的固有频率接近漩涡脱落频率时,立管涡激振动响应将会增大,疲劳寿命将会显著减少。     

行波壁抑制圆柱涡激振动的数值模拟研究

采用CFD数值模拟方法完成了圆柱绕流-涡激振动-行波壁流动控制全过程的数值模拟,重点研究行波壁流动控制方法对低雷诺数下两自由度弹性支撑单圆柱涡激振动的抑制作用。详细分析各阶段圆柱横向和流向位移、质心运动轨迹、升力和阻力系数等随频率比的变化。结果表明:行波壁圆柱的波谷处可以产生一系列稳定的随行波壁运动的小尺度旋涡,有效抑制圆柱表面分离涡的产生,达到消除圆柱绕流尾迹和抑制涡激振动的目的;在计算初始和中途启动的行波壁流动控制方法显著抑制了圆柱横向和流向振动、降低了圆柱升力系数脉动值和阻力系数均值,但阻力系数脉动值则明显增大。     

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。     

Two-dimensional vortex-induced vibration suppression through the cylinder transverse linear/nonlinear velocity feedback

Suppressing vortex-induced vibration (VIV) has recently attracted numerous researchers due to its practical significance in many engineering applications. Most of the previous studies have focused on a passive or active flow control. A structurally active control approach to mitigate a two-dimensional, nonlinear coupled, cross-flow/in-line VIV has not been well studied. This paper presents a reduced-order fluid-structure dynamic model and combined analytical–numerical solutions for the efficient suppression of two-dimensional VIV of a flexibly mounted circular cylinder in uniform flows. The theoretical model is based on the use of coupled Duffing–Rayleigh oscillators with three variables describing the cylinder cross-flow/in-line displacements and the strength of the fluid vortex circulation in the cylinder wake. These equations of fluid-structure motions contain geometric and hydrodynamic nonlinearities. Closed-loop linear and nonlinear velocity feedback controllers are implemented in the transverse direction governing the larger cross-flow response than the associated in-line counterpart. Approximated analytical expressions are derived by using the harmonic balance to explicitly capture the system nonlinear dynamic features and the effects of key dimensionless parameters. Parametric investigations are carried out to evaluate the linear versus nonlinear controller performance in terms of the maximum response suppression capability and the power requirement in a wide range of reduced flow velocities, mass ratios, and control gains. Over the main lock-in resonance region with coupled cross-flow/in-line responses, the linear controller is found to be more efficient in suppressing the two-dimensional VIV by also modifying the system frequencies and phase relationships. Nevertheless, based on the power comparison, the nonlinear control is superior to the linear control for very small targeted controlled amplitudes of a very low-mass cylinder. These active control strategies may be further applied to the multimode VIV suppression of a long flexible cylinder with multi degrees of freedom.     

大倾角附螺旋列板倾斜圆柱涡激振动抑制分析

在室内拖曳水池中开展大长径比（L/D=350）,小质量比（m*=1.90）和大倾角（a=45 °）倾斜柔性圆柱涡激振动（VIV）抑制实验,观测螺旋列板对柔性圆柱VIV的抑制效果,并分析倾斜抑制圆柱涡激振动响应特性。选取海洋工程领域最优螺距/高度比组合（17.5D/0.25D）。通过拖车拖动模拟均匀来流,拖车速度范围为0.05 m/s~1.0 m/s,间隔为0.05 m/s,对应的雷诺数约为Re=800~16000。采用应变传感器测量结构横流向与顺流向的振动信息,并根据模态法处理实验数据。实验结果表明:螺旋列板对大倾角倾斜柔性圆柱VIV响应幅值和结构应变抑制效果不理想;同时观测到倾斜抑制圆柱涡激振动存在多模态的振动特征;并发现不相关原则（IP）不适用于倾斜抑制圆柱的涡激振动。     

沿水平向运动的水中截断圆柱体辐射波浪问题的解析解答

根据线性势波理论,分析了水中截断圆柱体作水平简谐运动时结构周围的辐射波浪。利用分离变量法,分别得到了含有未知常数的三个流体子域速度势的简谐表达形式,并采用一个较为简单的匹配方法使其在流体子域的共同边界上满足压力和法向速度的连续条件。于是求解得到了速度势,进而可得到由等效附加质量和附加阻尼表示的柱体侧面上的动水力。不仅能考虑自由表面波对动水压力的影响,也适用于位于任意水深处的截断圆柱体。实例分析表明,该方法具有较高的计算精度;同时对于截断圆柱体,采用Morison方程中的动水附加惯性力项会高估柱体侧面上的动水力。