二维圆柱涡激振动的数值模拟

采用动网格的动态层铺模型和滑移网格模型以及用户自定义接口编程,将计算结构响应的Newmark-β代码嵌入FLU-ENT软件,建立了2D圆柱横流向涡激振动(VIV)的计算模型。在雷诺数6×103~2×104或对应的约化速度Vr=3~10范围内,结合k-ω湍流模型,并且以静止圆柱为初始状态,首先计算了质量比m*=12.8、255.5和结构阻尼比ζ=0.0%、0.5%几种情况下圆柱的VIV。通过与经典的Feng-type图示比较发现,在小"组合参数"(m*ζ)情况下,计算结果与实验的"初始"支和最大响应吻合较好,同时观察到"初始"支与"下"支之间的"跳跃"现象。通过另外两组工况的计算发现,m*与ζ对圆柱振幅的影响不同,前者是完全非线性的,而后者几乎是线性的。     

低雷诺数下圆柱涡激振动的二维有限元数值模拟

采用有限元方法求解原始变量的二维不可压粘性流体的N-S方程,计算了雷诺数从90到150范围内圆柱绕流引起的涡激振动,完整地再现了流固耦合系统从不共振到频率锁定,再到脱离锁定的过程,成功地预测到了涡激振动的“拍”和“锁定”现象,并与A nagnostopou los和B earam an的试验结果进行了比较。计算涡激振动时用ALE方法分析圆柱和流体的耦合作用,圆柱振动被简化为质量-弹簧-阻尼系统。     

分离盘控制圆柱涡激振动的数值模拟研究

圆柱涡激振动问题一直以来备受关注,分离盘作为涡激振动抑制装置得到广泛研究。分离盘长度L与圆柱直径D之比L/D是影响抑制效果的主要因素。运用有限体积法结合RANS方程与一定的湍流模式离散和求解流场,通过编写自定义程序,使用动网格模拟结构物的运动带来的流域边界的变化,针对弹性支撑的圆柱及附加长度为0.5 D的分离盘模型,在约化速度Ur为2.5~13的情况下,对涡激振动及其抑制进行研究。结果表明:分离盘可以抑制甚至消除圆柱涡激振动,99%以上的振幅被抑制;锁定区始点被推后,锁定区变窄;附加分离盘的圆柱阻力和升力被抑制;其斯特鲁哈数(St)稍高于单圆柱St但差别不大。     

不同运动自由度组合串列双圆柱涡激振动数值模拟

基于自主研发的紧致插值曲线CIP (Constrained Interpolation Profile)方法数学模型,对均匀来流条件时不同运动自由度组合下的串列双圆柱涡激振动问题开展二维数值模拟。模型针对雷诺数Re=100,质量比m*=2的串列双圆柱涡激振动问题,选取上、下游圆柱不同运动自由度组合工况进行模拟。重点分析圆柱的升阻力系数、运动位移随折合速度Ur变化的响应。研究表明:当上游圆柱双自由度运动时,随着下游圆柱运动自由度的增加,下游圆柱对上游圆柱涡激振动响应的影响减弱;当下游圆柱双自由度运动时,随着上游圆柱运动自由度的增加,上游圆柱对下游圆柱涡激振动响应的影响变强。研究结果表明圆柱运动自由度组合形式对串列双圆柱涡激振动的影响不可忽略。     

圆柱涡激振动研究进展与展望

圆柱涡激振动广泛存在于机械工程、海洋工程等诸多领域,研究者们取得了许多研究成果,而系统综述圆柱涡激振动的论文距今已近10 a,因此,有必要对近10 a的研究进展进行系统分析。文中系统地总结了近10 a圆柱涡激振动研究成果,阐述了圆柱涡激振动的尾流模态和其对应的响应分支之间的因果关系,分析了影响圆柱涡激振动的关键因素(如质量比、阻尼比和雷诺数)对涡激振动响应的影响,介绍了圆柱涡激振动最大响应振幅的曲线拟合公式及其局限性,最后对圆柱涡激振动的研究方向提出建议。     

大直径浮式结构涡激振动的数值模拟

通过数值模拟的方法研究Spar平台两自由度涡激运动,建立考虑流固耦合时Spar平台涡激运动时域数值模型,采用Matlab软件编程计算了Spar平台在不同流速下的两自由度涡激运动响应,并比较了Spar平台涡激运动时非线性阻尼对于结构的影响。通过对数值模型模拟结果的比较发现,非线性阻尼能降低Spar平台两向涡激运动响应的计算结果,尤其是当平台发生共振时,这个影响更为显著。     

均匀流场中并列圆柱涡激振动的现状与预测

并列圆柱体在均匀流场中的涡激振动十分复杂，但又广泛存在于实际工程之中。当两柱在流体激励作用下产生振动时，由于同时存在着流固耦合作用和柱间干扰作用，而使周围流场变得更加复杂。本文对并列刚性和弹性圆柱的流场分类，Ｓｔｒｏｕｈａｌ数及流体载荷等问题进行了综述，在此基础上提出了进一步研究的建议。     

并列双圆柱涡激振动的经验性模型研究

建立一种新的预报并列双圆柱涡激振动响应的经验性模型,根据特定间距比条件下旋涡脱落频率出现分支的现象,提出以两个具有不同固有频率的尾流振子来共同描述结构的近壁尾涡动力特性,同时两个振子均满足van der Pol方程,进而得到结构振子和流体振子的耦合方程组。使用该模型分别对中高质量比和低质量比的并列圆柱涡激振动问题进行数值计算,结果表明,结构的位移响应和最大振动幅值等变化规律与实验结果趋势一致,数值基本吻合。     

不同固有频率比条件下圆柱双自由度涡激振动特性的数值研究

采用RANS方法,结合SST k-ω湍流模型,对不同顺流向与横顺流向固有频率的比值(即固有频率比,fnx/fny)条件下低质量比圆柱体的双自由度涡激振动进行了二维数值模拟。圆柱体的质量比为2.6,雷诺数范围为2 500~18 750,相应的约化速度范围为2~15,包括了经典试验中出现的整个锁定范围。通过研究发现,固有频率比是影响振动特性的重要参数,随着固有频率比的增加,响应幅值逐渐降低且向更高的约化速度偏移;在低约化速度范围内,固有频率比对顺流向和横流向振动之间的相位差以及升力频率有较大影响,从而得到各种不同偏向的8字形轨迹;最后对不同固有频率比条件下的尾涡模式进行了讨论,给出了对应不同约化速度时的尾涡模式。     

不同浸没长度下串列双立管涡激振动数值模拟

深海柔性立管涡激振动问题广受关注,其中多立管涡激振动较传统单立管涡激振动更为复杂。使用基于Open FOAM自主开发的深海柔性立管流固耦合求解器viv-FOAM-SJTU,对阶梯流中串列双立管涡激振动展开研究。首先针对阶梯流中串列双立管模型试验工况开展验证计算,下游立管的位移响应以及频率响应与试验结果基本吻合;而后改变立管浸没长度,分别选取浸没长度为0.4L(工况1)、0.55L(工况2)以及0.7L(工况3)的三种工况进行数值计算,其中L为立管长度。数值结果表明:3种浸没长度下,上下游立管的横流向振动均为一阶模态,且工况2和工况3中上下游立管的横流向位移均方根均大于工况1;上下游立管的顺流向主振模态在工况2和工况3中均为二阶,而在工况1中为一阶,且下游立管在工况2和工况3中的顺流向振动均表现出明显的多模态振动特性。     

单自由度圆柱涡激振动特性及其影响因素分析

对二维刚性圆柱涡激振动进行了系统理论和数值模拟研究,对比了不同因素下圆柱振幅、锁定区间、升阻力系数等关键参数和特征,探究了影响圆柱涡激振动特性的因素。通过线性化分析推导出了锁定区间柱体响应的频率比、振幅与流体荷载和系统物性参数之间的定性关系。为检验理论分析结果,对相关经典实验的结果进行了整理,并用RANS模型开展了相应的数值模拟。理论分析、实验和数值模拟三者的结论相符,可以确认以下结论:当圆柱处在锁定状态时,其振幅大小由组合因子决定。组合因子越小,圆柱的振幅越大,反之则越小,但是组合因子对振幅的影响幅度有限;柱体锁定区间范围的大小由质量比决定,质量比越小,锁定范围越大,反之则越小,质量比对锁定区间范围的大小有显著影响,影响的主要范围是在约化速度较大一端。     

湍流数值模拟中封闭模式应用的局限性

通过对琼州海峡的潮流场特征进行数值模拟，指出了选择不同的特征混合长度表达式对数值模拟结果的影响，表明了基于特征混合长度理论的流封闭模式在近海湍流数值模拟中应用的局限性。     

大涡模拟及其在海洋湍流数值模拟中的应用

本文概述了大涡模拟的定义及特征,介绍了大涡模拟的几种常用方法以及它在海洋湍流场数值模拟中的应用,并指出了一些尚待改进的问题。     

深水海洋立管涡激振动试验流场设计及CFD数值模拟

针对阶段流作用下的大长细比海洋立管涡激振动试验所需的外流条件,根据实验室的基本情况,对试验流场进行了设计改造和数值模拟。根据数值模拟的结果,选定了试验流场的改造方案,并对改造后测得的试验数据和数值模拟的结果进行了对比分析。结果表明:在低流速时,模拟结果与试验流速吻合较好;在高流速时,数值模拟结果比试验流速略大。在误差允许的范围内,可以得到均匀分布的流场。     

内波流场中悬链线立管涡激振动数值研究

基于内波流场的eK dv理论并结合尾流振子模型和挠性立管的非线性振动方程建立内波流场中悬链线立管计算模型,研究了内波流场中悬链线立管升力方向运动的响应问题,并分析了内孤立波波高和密度跃层位置对悬链线立管升力方向响应的影响.结果表明:内孤立波经过悬链线立管时会引起突然增大的涡激振动,其中高阶模态占主导;涡激振动最大位移发...     

不同节点布置下二维涡激振动的无单元法参数化分析

尝试建立1种基于无单元法的涡激振动数值模拟算法,并给出适用于涡激振动分析的前处理自动布点方法.基于无单元法理论,使用动最小二乘法构造形函数,利用无单元伽辽金法,采用速度和压力分离模式,及手工布点和自动布点2种方法所得出的节点布置形式,对流场控制方程进行空间离散,模拟二维涡激振动的流场形态,并对VIV相关参数进行分析,计算不同节点布置情况下的升力系数(Cl)、曳力系数(Cd)及斯特罗哈数(St),并与物理模型实验结果进行对比.计算结果表明,无单元伽辽金法应用于立管VIV分析是可行的,且文中采用2种布点方法均能较好的模拟流场中泻涡脱落的形态,计算结果与传统方法和物理模型实验结果吻合良好.证明文中2种布点方法都能用于固定圆柱的二维VIV分析,但自动布点法能够更好地适用于复杂问题的计算及圆柱体在流场中的VIV动力响应分析.     

基于MATLAB的海洋立管涡激振动数值模拟系统研究

基于MATLAB开发海洋立管涡激振动数值模拟系统NSVIV 1.0,系统采用尾流振子模型模拟外流对立管结构的作用,考虑内流对立管结构的影响,对立管的涡激振动动力响应和疲劳寿命进行预测分析。系统界面简洁清晰,使用方便,适用于顶张力立管,为进一步集成功能齐全的海洋立管设计分析软件打下基础。     

钱塘江涌潮二维数值模拟

采用基于准确Riemann解的Godunov格式,求解包括底坡项的二维浅水流动方程,应用WLF(water level-bottom topogra-phy formulation)方法求解Riemann解。经实测涌潮资料验证,较好地模拟了钱塘江涌潮的发生、发展及其衰减的过程,复演了涌潮的相交、反射和一线潮等现象,对钱塘江涌潮宏观规律的认识有所加深。     

孤立波爬坡的二维数值模拟

波浪在滩地上以及遇海岸工程后传播发生变形、爬坡等现象,对其进行数值模拟具有广阔的工程应用背景.应用基于Boltzmann方程的KFVS(kinetic flux vector splitting)格式求解二维浅水方程,同时采用干底Riemann解模拟动边界问题.模型模拟了孤立波在滩地上传播变形、爬坡的过程,以及孤立波在滩地上遇圆柱后绕射、变形和爬坡的过程.计算结果与实验结果非常吻合,表明模型具有较大的推广应用价值.     

子母管结构中海缆涡激振动特性研究

采用流固耦合分析方法,对某海洋石油开采项目采用的子母管结构进行涡激振动特性研究,并与相同海缆在自由悬跨状态下振动特性进行比较。数值仿真结果显示,受母管影响,子母管中海缆由于涡街效应产生的升力振幅随时间变化不一致,而单根海缆升力幅值稳定;子母管中海缆产生的拖曳力高出单根海缆65%,振动幅值加大,并且沿整根海缆尾流中湍动能分布呈现随机性,导致水动力沿整根海缆分布不均匀。提取海缆升力与垂直水流方向振幅进行比较,发现涡激升力是导致垂直方向振动的主要原因。子母管中海缆在水流阻力和涡激升力共同作用下产生较大的位移和应变,应进一步调整夹具间距和剩余张力来减缓海缆疲劳损伤。