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。     

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。     

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。     

浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

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。     

质量比对柔性立管涡激振动影响实验研究

质量比是影响海洋立管涡激振动的一个重要因素.通过在室内物理实验中使立管模型内部分别充填空气、水和沙来改变立管的质量比,从而研究质量比对柔性细长立管涡激振动的影响.实验结果表明:在相同流速下,质量比大的立管模型所激起的模态更高.在低约化速度区域,空管和水管的涡激振动响应频率与涡脱落频率相同,沙管的响应频率则与自振频率更接近,三种质量比立管的响应位移较接近;在高约化速度区域,三种质量比的立管模型的响应频率处于自振频率和涡脱落频率之间,但空管的响应频率随约化速度的增大而不断增大,同一流速下,质量比大的立管模型响应位移小,其中空管的涡激振动响应一直处于大振幅的锁定状态下.共振区域对应约化速度的范围随着质量比增大而减小.     

横向受迫振荡圆柱低雷诺数绕流问题数值模拟

对雷诺数Re=200的圆柱在均匀来流中横向受迫振荡的问题进行数值模拟分析.通过改变运动圆柱的振荡频率和振幅,分析圆柱所受作用力及圆柱尾流泻涡结构的变化特性,振荡圆柱在非锁定状态和锁定状态下作用力曲线和圆柱尾流泻涡结构的变化情况,以及不同圆柱振荡频率和振幅情况下单个振荡周期内圆柱尾流泻涡结构模式之间的转换特征.     

潮流能转换装置串列双圆柱下游圆柱流致振动数值模拟

针对双振子流致振动潮流能转换装置,基于ADINA软件对上游圆柱固定、下游圆柱横向振动的串列双圆柱流致振动,在不同工况下进行了数值模拟,并与文献和试验结果进行了对比分析,验证了该模拟方法的正确性并分析了不同因素(间距L=1.5 D~8.0 D、流速v=0.4~0.75m/s及相应流速v下的雷诺数Re=2.88×10~4~5.76×10~4)对下游圆柱流致振动的影响。结果表明,圆柱间距影响双振子尾流模式和下游振子振动形式;间距L=5 D~7 D范围内下游振子达到最大振幅,比单圆柱涡激振动增大50%。     

等边三角形排列三圆柱结构的流致振动数值研究

文章采用数值模拟手段,研究了Re=150情况下等边三角形排列的3个等直径圆柱的流致振动问题。圆柱直径为D ,可在横流向和顺流向作自由振动,柱间距设为4D 。来流攻角考虑了3种典型情况:α=0°,30°和60°,折合速度范围为3.0≤Ur ≤12.0。计算结果表明,三圆柱的响应特性,包括泻涡频率,振幅和振动轨迹等,显著受到来流攻角和折合速度的影响,同时文章还采用若干涡量场分析了圆柱之间的流动干扰情况。     

低雷诺数下圆柱强迫振动特性光滑粒子流体动力学模拟

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,开发了能够准确描述水流作用下圆柱强迫振动特性的数学模型。通过引入适合于无网格粒子法的开边界算法,来模拟出入流边界条件,建立了具有造流功能的SPH数值水槽。圆柱及计算域的上下边界均采用修正的动力边界条件进行模拟。借助于粒子位移矫正和压力修正算法,避免了圆柱周围流体粒子压力大幅震荡以及结构下游区域出现空腔等非物理性现象。使用典型的圆柱绕流数据,验证了所建SPH模型的计算性能,研究了固定圆柱在低雷诺数情况下的尾涡脱落模式和升阻力变化规律。明确了低雷诺数下强迫振动圆柱在频率锁定以及非锁定区间内的升力变化规律,量化了升力与外界激励频率之间的关系。     

二维圆柱涡激振动数值模拟中湍流模式适用性的探讨

采用RANS结合4种湍流模型对低质量比单自由度涡激振动进行数值模拟,对比分析其对该问题的适用性。用四阶Runge-Kutta法离散运动方程,基于动网格技术处理圆柱振荡引起的网格运动,并对壁面条件的处理进行了细致分析。根据Williamson水槽实验,从振幅比、频率比响应、水动力系数及相位突变、尾涡模式等方面对比分析了4种模型的性能和表现,结果表明Standardκ-ω模型与实验差异较大;目前本类研究中运用较少的Realizableκ-ε模型也是可以适用于涡激振动计算的;κ-ω系列模型得到的最大振幅(0.55D)小于κ-ε系列模型的结果(0.87D);SSTκ-ω模型以及2种κ-ε模型都反映出锁定区振动频率fex与泄涡频率fst分离,其中SSTκ-ω模型较为接近实验结果;尾涡模式上,SSTκ-ω模型在各个分支与实验结果一致;总之,各种模型针对不同物理现象各有优势和缺陷。     

海流作用下子母管结构横向涡激振动

基于量纲分析,设计模型试验研究稳态海流作用下子母管结构的横向涡激振动。通过对结构横向振动位移、水动力载荷和流场速度的同步测量分析,研究子母管结构横向涡激振动幅值和频率随约减速度的变化规律以及母管的水动力特性。实验结果表明,子母管间距比和质量比对管道横向振动和水动力有较大影响。在管间距比为0.1～0.5范围内,子母管结构涡激振动存在明显的不对称性。随着子母管间距比的减小,结构横向最大振幅增大,涡激振动的约减速度范围变宽;随着质量比的增大,涡激振动的约减速度范围变窄。母管的平均阻力系数随子母管间距比的增大单调递减,而平均升力系数则呈现非单调变化的特征。     

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。     

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。     

张力腿平台涡激运动模型试验与数值分析

为揭示张力腿平台涡激运动响应规律,采用数值模拟与模型试验相结合的方法研究了全水深系泊张力腿平台涡激运动响应。根据张力腿平台主尺度参数,按照几何相似制作了水池试验模型,在满足运动相似和动力相似的条件下开展了均匀流、剖面流模型试验,并将模型试验结果与数值模拟结果进行了对比,验证了数值模拟与模型试验结果的一致性。分析结果表明在均匀流作用下张力腿平台涡激运动的锁定区间在5.5<U_r<8.5,来流角对涡激运动影响较大。剖面流作用下平台涡激运动规律与均匀流作用基本一致,但剖面流造流引起的能量分散,使平台在XY平面的运动轨迹变得不规律,系泊系统提供的回复力对涡激运动幅值有抑制作用,来流角和流速对张力腿或立管模态影响明显。论文得到结论对于张力腿平台的工程设计有一定借鉴意义。     

结构与尾流非线性耦合涡激振动预测模型

预测圆柱涡激振动的尾流振子模型中,通常采用线性的耦合模型,例如位移或者速度、加速度耦合来表征结构对尾流的作用。三种线性模型在预测圆柱锁频阶段的动力特性时存在差异,而且适用范围也受质量比的限制。提出了考虑结构与尾流动力非线性耦合的模型,该模型基于加速度耦合并结合速度耦合进行修正,适用范围不受质量比的影响;与实验结果的对比表明该模型可以更合理地给出锁频区域以及结构位移响应和尾流升力。最后,利用新模型讨论了质量比对锁频阶段结构振动幅值、尾流升力及频率比的影响;结果表明,随着质量比的增大,结构锁频区域变窄,结构振幅和尾流升力幅值减小。     

立柱直径比对四立柱平台涡激运动性能影响的数值研究

与单立柱平台(Spar)类似,四立柱平台在洋流作用下也容易发生涡激运动,对锚泊和立管系统的疲劳寿命产生不利影响。一种非对称半潜式平台具有两种不同尺寸的立柱,立柱直径比对非对称平台涡激运动性能的影响尚需深入研究。采用计算流体力学(CFD)方法,对直径比分别为1.0、1.5和2.0的立柱组合在两种不同角度水流作用下的运动响应进行了二维数值模拟,分析发现:立柱直径比不为1时四立柱平台也具有明显的涡激运动,其横荡运动具有显著的锁定现象;在广义折合速度定义下,与相同直径的四立柱平台相比,立柱直径比不为1时其横荡运动锁定区间变宽且滞后,横荡响应幅值的峰值具有明显差异;在所研究的直径比范围内,大直径立柱在上游时涡激运动响应比其在下游时更显著,且这种差异随着直径比变大而变大。     

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。     

不同排列方式和间隙比下双圆柱流致振动特性研究

采用基于ALE的流固耦合分析方法,将圆柱体振动模型简化为平面双自由度质量-弹簧-阻尼系统,进行了计算参数无关性分析。对不同θ角和间隙比T下的双圆柱流致振动进行数值模拟,并与单圆柱振动计算结果进行比较,得到了不同θ角和间隙比T下中心圆柱的升阻力系数、流场分布和运动轨迹变化情况。通过分析发现小间隙比下由于两圆柱间的相互干扰,改变了中心圆柱的尾涡结构,导致了升力和阻力系数随不同θ角而发生变化;小间隙比下由于两圆柱间的相互干扰影响,均使中心圆柱的轨迹在不同θ角下发生了较大的变化,顺流向的振动频率与单圆柱振动时相比出现了多倍频,导致其运动轨迹发生了变化。     

深海顶张紧式立管涡激振动疲劳可靠性研究

以深海顶端张紧式立管为研究对象,基于圆柱体受迫振荡实验数据和能量平衡原理预报立管涡激振动响应及其诱发的疲劳损伤度,各主要参数随机化,应用响应面法建立了涡激振动疲劳安全系数与极限状态方程关系,研究了疲劳安全系数对结构可靠性的影响,并分析了各随机变量的灵敏度。研究结果表明:1)随着疲劳安全系数的增大,结构失效概率逐渐减小,且失效概率的减小幅度随疲劳安全系数的增加而趋缓。疲劳安全系数SF无需超过20。2)增加疲劳安全系数SF可降低疲劳载荷不确定量B、S-N曲线参数A、顶张力、流速、外径和壁厚等立管及环境随机变量对结构涡激振动疲劳损伤可靠性的影响。3)立管各参数中,流速、外径和壁厚均值越大,立管结构安全度越低,顶张力对结构影响相反;各参数的标准差越大,结构可靠度越低。均值灵敏度由大到小依次为顶张力、流速、外径和壁厚,标准差灵敏度由大到小依次为流速、张力、外径和壁厚。4)壁厚对深海顶张紧式立管涡激振动所致疲劳损伤影响很小,可忽略其影响。研究成果可为深海顶张紧式立管涡激振动疲劳安全系数的选取提供参考。