大跨度公铁两用双层钢桁桥涡激振动控制研究

桥梁的涡激振动主要受到主梁断面的气动外形、结构动力特性与来流特性的影响,而大跨桥梁是典型的风致敏感结构,所以在大跨度桥梁的设计中应当引起重视。以某大跨度公铁两用双层板桁组合桁架桥为背景,在XNJD-1回流串联风洞中进行了风洞试验,研究了该主梁的涡激振动现象。通过计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟分析了其主梁断面的涡激振动机理,并且将展向周期摄动法应用于钢桁梁的涡激振动控制,采取了一系列气动控制措施来抑制主梁的涡激振动,其中L型分流板与波浪形风嘴完全抑制了主梁的涡激振动。还通过风洞试验研究了波浪形风嘴的几何参数对抑振效果的影响,试验结果表明,波浪形风嘴的抑振效果对幅值变化比较敏感,增大幅值可以有效抑制主梁的涡激振动。     

段塞流作用下海底悬跨管道涡激振动特性分析

对海底悬跨管道在段塞流和涡激振动(VIV)耦合作用下的动力响应进行了数值模拟。基于向量式有限元(VFIFE)法考虑内部段塞流动,结合尾流振子模型建立了海底悬跨管道涡激振动分析模型,研究了不同Taylor气泡或液塞平移速度(v_T=3～5 m/s)、不同液塞长度(L_S=15D～45D)下悬跨管道的横向振动特性。结果表明：海底悬跨管道涡激振动的锁振区间受段塞流作用的影响有向后延展的趋势;Taylor气泡平移速度的增加、液塞长度的减小会显著增加锁振区间;液塞长度的增长将会增大管道振动响应幅值。     

近自由表面海流能发电装置VIVACE流激振动的实验研究

实验研究了大雷诺数、小质量比、近自由水面的弹性支撑刚性圆柱流激振动,利用了低湍流度的循环水槽施加不同来流条件,以虚拟弹簧阻尼系统(Vck)测量圆柱的流激振动幅值和频率。研究结果表明:约化速度由低到高,近自由表面处采用被动湍流控制技术(PTC)的圆柱流激振动可分为三个典型区域,分别为涡激振动区、涡激振动向驰振转化区和驰振区;涡激振动发生时,自由表面效应对光滑圆柱涡激振动以及PTC圆柱的流激振动影响不明显;驰振发生时,较大的约化速度对应较高弗劳德数,自由表面对弹性支撑刚性PTC圆柱的流激振动影响逐渐显著。研究成果可为海流能发电装置(VIVACE)提供必要的理论指导和技术支撑。     

输流管道的流体诱发振动稳定性分析

考虑内、外部流体的联合作用,研究输流管道的流体诱发振动稳定性。将外部流体的作用简化为涡激升力,利用Kane方法建立输流管道的二维非线性涡激振动方程。将动力学方程在平衡位置附近线性化,进行输流管道的稳定性分析。探讨不同内外流流速、外部流体的粘滞力系数、管道跨度以及内外流联合作用对管道稳定性的影响。研究结果表明,非线性涡激振动模型更真实地反映输流管道的流体诱发振动稳定性,在内流和管道跨度的影响下,发生耦合模态颤振现象;外部流体粘滞力系数的变化对管道的动力特性有明显的影响;在内外部流体的联合作用下管道的振动特性与各因素单独作用时明显不同。     

浅谈海底涡激抑制装置

在海底油气开采及储运方式中,海底管道传输因其输送连续、效率较高、输送量大和成本低廉等诸多优点成为海上油气传输的主要方式。海底管道处在复杂的深海环境中,受到各种安全隐患的困扰,涡激振动就是其中最为重要的一种,所以管道涡激振动的抑制一直是世界范围内研究的热点之一。然而,目前的较多研究集中于海洋立管,对于海底管跨涡激振动的研究仍然较少。因此,对于海底管跨涡激抑制的研究有其深远的意义。     

基于新奇检测技术的桥梁涡激共振自动识别研究

大跨桥梁健康监测系统记录了多座桥梁主梁涡激共振事件,实测数据为涡激共振研究提供了资料,在线判别涡激共振也是实现涡振半主动控制的前提条件。针对如何从在线健康监测数据中自动识别涡激共振信号的问题,提出了应用基于BP神经网络的新奇检测技术进行涡激共振自动识别方法。根据主梁涡激共振和环境振动在各频段归一化功率谱能量分布特征存在显著差别的特征,以环境振动作为正常状态,建立基于神经网络的新奇检测技术模型。当发生涡激共振时,结构振动发生状态异常,识别出涡激共振。通过数值仿真对所提方法进行了验证,并采用该方法对西堠门大桥健康监测系统实测海量数据进行了涡激共振识别。研究结果表明:所提方法能有效自动识别出涡激共振信号。     

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。     

深海顶张力立管参激-涡激耦合振动响应分析

该文研究顶张力立管参激-涡激耦合振动计算方法和动力特性。考虑立管顶端动边界条件,建立顶张力立管模型,研究其在剪切流中的涡激振动响应和参激-涡激耦合振动响应。提出立管的动力响应分析方法,分析参数激励对立管横向涡激振动的影响。结果表明,立管的横向振动响应频率存在0.5倍参激亚谐成分,参数激励对于立管横向振动具有重要影响。     

双幅连续梁桥钢箱梁涡激振动机理分析

对某双幅钢箱梁连续梁桥涡激振动进行风洞试验和数值模拟研究。基于二次开发UDF(user defined function)程序嵌入Fluent软件进行二维流固耦合分析,模拟了双幅桥梁断面的涡激振动;通过对比节段模型风洞试验及数值模拟结果,验证了数值模拟方法的可靠性,并从流场的角度直观分析双幅钢箱梁断面涡激振动机理。研究结果表明：上游幅主梁断面下表面的主涡与其背风侧的正压区的周期性变化诱发了上游幅主梁断面的竖向涡激振动;下游幅主梁断面上、下表面的旋涡交替作用于主梁断面并脱落,形成了周期性的作用,导致了下游幅主梁断面的竖向涡激共振;下游幅主梁断面上、下表面的旋涡分别在迎风侧栏杆与上游幅箱梁尾部、下游幅箱梁前端得到增强,导致了下游幅主梁断面的涡激振动的振幅大于上游幅主梁断面。研究结果为双幅桥梁或双钝体断面的涡激振动研究提供参考经验。     

平台运动与管内流动联合作用下悬垂立管动力响应特性研究

悬垂立管因其经济性被广泛应用在深海油气开发中。悬垂立管在顶端平台运动和内流共同作用下,在顺流向(IL向)会产生动力响应,并与周围流体间形成相对振荡来流。这种相对振荡来流极有可能诱发悬垂立管产生横流向(CF向)的涡激振动(Vortex-induced Vibration,VIV)。为了研究悬垂立管在平台运动和内流联合作用下悬垂立管涡激振动响应特性,开展了悬垂立管模型试验。通过试验和数值模拟的方法,分析了IL向应变、流速、KC数、泻涡频率等分布规律。结果表明:大管径悬垂立管在振荡流场和内流共同作用下,可以产生涡激振动。该试验内流速度区间下,内流作用对于悬垂立管固有频率,KC数和泻涡频率幅值分布,以及涡激振动影响不大。顶部平台运动诱发的涡激振动具有不稳定性。     

强耦合流激振动的建模及求解的预测多修正算法

将基于Lagrangian描述的结构振动问题与基于Eulerian描述的不可压缩粘性流动问题通过流-固系统的功率耗散平衡在广义变分原理的框架下统一,建立了描述强耦合流激振动的有限元控制方程。采用将Newmark法和Hughes预测多修正法相结合的求解策略,提出了基于稳定有限元法求解小变形弹性结构强耦合流激振动的计算方法,用于计算复杂边界条件下的流激振动问题。以三维混流式水轮机叶道为例的数值算例表明,模拟结果与试验实测结果吻合较好。     

深海采矿水力提升管多场多尺度耦合非线性振动特性

针对深海水力采矿提升硬管流致振动失效问题，采用有限元法、Hamilton变分和虚功原理，建立了多场多尺度耦合作用下深海水力采矿提升硬管非线性振动模型，采用尾流振子模型模拟外部流体对大长径比提升硬管的非线性流体力，考虑了自身纵-横向耦合效应、外部海洋涡激效应以及内流流致振动效应。通过理论计算结果与模拟试验测量数据对比，验证了模型的有效性。研究表明，提升硬管在考虑纵横向耦合、涡激振动和大变形等非线性因素下，提升硬管的振动具有高度非线性特征。随着中间仓质量的增加，提升硬管的顺流向偏移量和均方根应力减小，横流向振动频带分布更广，其顶端受到的轴力更大。小周期、大幅值的波浪对提升硬管的振动、应力和顶端轴力影响颇为明显。     

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。     

考虑附属管的实尺寸钻井隔水管系统涡激振动二维数值模拟研究

实际钻井隔水管通常含6根附属管线,近期研究表明,实际隔水管外挂的附属管线对主管有一定的流动控制效果,它是否有涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)抑制作用亟待研究,针对这一问题开展数值模拟研究。基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程,结合k-ω湍流模型,采用二次开发的嵌入多圆柱运动求解模块的OpenFOAM求解器,对不可压缩流体进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)求解,再耦合结构动力学模型,进行流固耦合求解。研究了亚临界区雷诺数为20000~85000、典型约化速度为3~12、来流攻角为0°~330°的实尺寸钻井隔水管系统的涡激振动响应。结果表明,附属管对钻井隔水管整体的涡激振动具有抑制作用,抑制效果与来流攻角和约化速度密切相关,当来流攻角为210°和330°时抑制效果最好。隔水管系统的横流向涡激振动较为剧烈时功率谱有峰值较大的唯一主频,此时主频接近于隔水管系统的固有频率。实尺寸钻井隔水管系统的涡激振动运动轨迹有多种形式,如雨滴形、倾斜倒立雨滴形、倾斜非对称“8”字形和近似椭圆形等。     

多频涡激振动状态下柔性立管的时变水动力特性识别

提出了遗忘因子最小二乘法识别柔性立管发生多频涡激振动下的时变涡激力系数。该算法在最小二乘法基础上,引入遗忘因子,其给予更接近当前时刻的数据更大的权重。这一修正提高了该算法对时变参数的敏感度,使其能够识别系统的时变参数。首先使用质量-弹簧-阻尼器模型验证了遗忘因子最小二乘法可准确识别系统的时变参数。随后使用该方法识别了柔性立管发生多频涡激振动时横流向的时变涡激力系数。结果显示柔性立管发生多频涡激振动时,其涡激力系数会周期性变化,其时间平均值亦不同于基频下的涡激力系数,这是基频与高频耦合作用的结果。根据识别的时变涡激力系数进行反演重构得到的涡激力与真实涡激力相吻合,验证了该方法识别多频耦合下的时变涡激力系数可以准确重构涡激力载荷。     

正三棱柱流致振动试验研究

以典型的圆柱流致振动为参照,进行了水中弹性支撑正三棱柱在不同刚度下的流致振动试验,系统阐述了正三棱柱的振幅与主频变化特性、频谱特征及尾流模式,并揭示了系统刚度对振动响应的影响。试验结果表明,有别于圆柱"自限制"的三个响应区间,正三棱柱的流致振动响应区间分别为:涡激振动分支,涡振-驰振转变分支及驰振分支。随折合流速增大,三棱柱的振动响应并未出现抑制现象。涡激-驰振转变分支中,振幅突增和频率突降,体现了由涡振向驰振的转变趋势;涡激振动上端分支和驰振分支中,柱体振动存在"锁频"现象。系统刚度的变化会造成相同折合流速下正三棱柱尾流模式的差异,进而影响振幅和频率响应。正三棱柱最大响应振幅比为2.11,大于现有圆柱试验的最大响应振幅比1.90。相比于圆柱,正三棱柱更有利于低速水流能的开发利用。     

大跨度悬索桥涡激振动动态监控预测

大跨度悬索桥的涡激振动发生频率较高,严重时将影响到行车安全性和舒适度。为了能及时预测大跨度悬索桥的涡激振动,以某跨海大桥为例,依托其结构监测系统长期监测数据,选取了顺风向平均风速、风向角、能量集中系数以及加速度均方根(RMS)作为涡激振动发生的特征参数,根据特征参数与涡激振动的相关性,构造了跨海大桥涡激振动的动态监控预测模型,建立了独立的涡激振动动态监控系统。结果表明:涡振发生时风向角主要分布在300°~330°与120°~150°;能量集中系数(功率谱密度之比W P2/W P1)小于0.1;主桥振动加速度均方根值大于5 cm/s 2;构造的系统模型预测识别率达到72%,建立的涡激振动动态监控系统识别准确率达到93%,同时开发了涡激振动预警App,实际预警效果良好,可为同类型桥梁的涡激振动预测提供借鉴。     

Π型钢-混叠合梁斜拉桥涡振性能及整流罩制振措施研究EI北大核心CSCD

大跨度Π型钢-混叠合梁斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)。为了抑制涡激振动,采用1∶50节段模型风洞试验,研究了不同气动措施对主梁涡振制振的作用,包括下稳定板、导流板、裙板、整流罩等措施。试验结果表明,只有整流罩与下中央稳定板的组合气动措施能在不同风攻角和0.66%的阻尼条件下,将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低75%以上。在此基础上,通过提高整流罩竖板高度优化了该制振措施,继而开展的1∶20节段模型风洞试验的结果表明,优化后的措施能够完全消除Π型叠合梁在不同风攻角和0.5%小阻尼比下的涡激振动。最后,数值计算的结果表明,优化后的整流罩组合措施能够同时降低主梁上、下表面旋涡脱落尺寸,并显著减小主梁受到的周期性涡激力,从而达到抑制主梁涡振的效果。研究成果可为Π型钢-混叠合梁斜拉桥的涡振制振措施设计提供参考。     

地声检测系统涡激振动研究及实验分析

为了研究水流对水底检测系统的影响,从涡激振动的原理及其作用力的表达式出发,建立检测系统圆柱杆件涡激振动的理论模型及振动微分方程,求解非线性振动微分方程,得到涡激振动的频率及振幅表达式。进行实验数据对比,解释舰船地震波场测试数据中异常的振动成分,表明检测系统上的圆柱杆件因受底流扰动形成涡激振动进而激励检测系统,从而使传感器接收到明显的涡激振动信号。针对涡激振动产生原理,提出抑制涡激振动的措施。     

拖缆模型涡激振动的影响因素分析

为了考察圆柱型声纳阵拖缆在水下拖曳时,由于尾流中发放旋涡激起的涡激振动情况和有关规律,进行 了试验研究。对不同拖曳速度、拖缆倾角,即拖缆与来流速度之间的夹角和不同直径的拖缆涡激振动进行了测量分析。 结果表明,约化速度、拖缆倾角、拖曳速度等是影响涡激振动的主要因素。试验结果对进一步开展该类课题的研究,对声 纳阵拖缆的设计,提供了技术依据,具有实际价值。