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.     

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。     

海洋立管涡激振动的流固耦合模拟计算

通过求解粘性Navier-Stokes方程、湍流模型,以及涡激振动的结构动力响应方程,实现流固耦合,运用动网格技术,在雷诺数3 125～16 250的较大范围内对立管低质量比、小阻尼的情况进行了单自由度和两自由度涡激振动的模拟计算。得到了立管升阻力系数、位移比和频率等随约化速度变化的规律,捕捉到"锁定"、"失谐"和"相位开关"等现象,并与经典的实验及模拟结果做对比,效果很好。然后对两种自由度的结果进行对比,表明在低质量情况下流向阻力引起的运动对振动的影响不能忽略。     

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。     

Spar风电平台涡激运动特性研究

本文研究了无侧板单立柱Spar风电平台在不同约化速度(Ur)下的涡激运动特征.基于计算流体动力学进行数值模拟,采用剪应力运输(Shear Stress Transport,SST)k-ω湍流模型模拟漩涡脱落,通过自编动力积分程序和重叠网格实现涡激运动的实时流固耦合,对Ur为2～14时的平台涡激运动响应进行计算,分析涡激...     

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。     

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。     

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。     

悬跨海底电缆涡激振动特性及疲劳损伤分析

悬跨海底电缆作为细长柔性结构,在静力平衡状态下具有一定的垂度,在水流作用下的涡激振动特性与海底管线和海洋立管等结构也有很大的不同,其振动模态受垂跨比影响很大。通过物理模型试验开展了不同垂跨比下悬跨海缆的涡激振动和疲劳损伤特性研究。试验模型按照水弹性相似准则设计,试验中测量了不同流速下海缆模型产生涡激振动时的应变历时数据,采用模态分析法获得了模型涡激振动时的振动模态和振幅。分析了不同流速下海缆模型的振动模态、应变和疲劳损伤的变化和分布特征。试验结果表明：垂跨比显著影响了海缆的涡激振动模态和应变幅值大小。在本试验流速范围内,对一定长度的悬跨海缆模型,当垂跨比较大时,随着流速的增大,模型涡激振动的主响应振动依次出现反对称1阶和对称1阶模态;当垂跨比较小时,模型涡激振动的主响应模态依次出现反对称1阶和对称2阶模态。当涡激振动主响应模态为反对称1阶时,疲劳损伤最大值达到0. 1~0.7。     

涡激振动潮流能转换装置获能实验研究

涡激振动潮流能转换装置是适用于低流速、浅水地区的海洋潮流能资源开发的一种新型装置。本文对涡激振动装置的工作机理进行研究,利用涡激振动流体力分解模型,建立了涡激振动方程和预测模型并对预测模型进行了验证。建立涡激振动的数学耦合模型,结合理论分析和预测模型设计了模型实验样机,进行水槽实验,测试流速、弹性系数等参数对涡激振动响应的影响,实验数据验证了数学耦合模型的合理性。     

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。     

三根附属控制杆对海洋立管涡激振动抑制作用实验研究

海洋立管的涡激振动会严重影响立管结构的使用寿命.通过室内水槽实验研究在立管模型周围等分布置三根附属控制杆来减小立管涡激振动响应的新型抑制措施.实验中观测了0.24 m/s、0.31 m/s、0.37 m/s以及0.44 m/s四种均匀流和两个极限来流方向下的涡激振动抑制效果.实验结果表明:三根附属控制杆抑制措施可明显降低立管模型的横向振动幅值,但对主管的振动频率改变不大;同时,这一抑制措施对来流方向有较强的适应性,避免了以往单根控制杆在流向发生改变时可能加剧立管涡激振动的弊端.     

基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动时域预报方法研究

海洋立管是深海油气开发中用于连接海底井口和水面浮体的唯一通道。立管在洋流作用下极易发生涡激振动（vortex-induced vibration,简称VIV）,发展快速经验性涡激振动时域预报方法对立管的安全设计具有重要意义。通过柔性立管模型试验,结合载荷重构方法和最小二乘法,识别建立了能量竞争载荷模型下的经验水动力载荷系数模型。应用识别建立的经验水动力载荷系数模型,发展形成了海洋立管顺流向及横流向双向涡激振动时域预报方法。将预报结果与试验结果对比,结果表明：基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动预报方法能够有效预报海洋立管涡激振动主导模态、主导频率、流向平均位移响应和涡激振动位移响应等力学行为特性。研究成果对发展更为有效的涡激振动预报手段具有有益参考。     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。     

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.     

海洋立管涡激振动模型的实验验证

考虑内流作用利用功能原理建立顶张力立管涡激振动响应数值模型,采用尾流振子模型模拟涡激振动升力,利用Hermit插值函数将其离散得到立管振动响应的矩阵方程形式,运用Newmark-β法在时域内迭代求解其动力响应。在山东省海洋工程重点实验室进行了阶段流作用下的大长细比海洋立管涡激振动试验,对比数值模拟和试验结果表明该模型对于考虑内流作用的大长细比海洋立管涡激振动响应预报是有效的,为深水立管涡激振动研究提供一定的借鉴。     

均匀来流下尾翼型抑振装置效果试验研究

基于控制尾流,阻止立管尾流漩涡脱落转换路径的涡激振动抑制机理,设计三角形尾翼、片状尾翼及交错尾翼等三种抑振装置。三种抑振装置分别安装于立管模型表面,立管模型采用外径为18 mm的透明有机玻璃管。通过在均匀流场中进行安装有该抑振装置的立管模型涡激振动试验,研究三种抑振装置对立管涡激振动的抑制效率,并通过与配重裸管的涡激振动数据对比,分析抑振装置对立管动力响应的影响规律。研究结果表明,三种抑振装置均取得了明显的抑振效果,与配重裸管相比,安装片状尾翼及交错尾翼的立管模型抑制效率可达90%以上,安装三角形尾翼后立管模型振动频率略有减小,而安装片状尾翼及交错尾翼的立管模型没有明显的主导频率。     

海洋立管抑振装置优化布置的实验研究

设计1种梯形截面的三螺旋导板抑振装置,在实验室大型水槽进行海洋立管涡激振动实验.通过改变这种抑振装置的覆盖方式和覆盖范围,研究梯形截面螺旋导板的不同覆盖方式和覆盖范围对抑制海洋立管涡激振动的作用.实验时用动态电阻应变仪采集立管模型横向和顺流向的动态响应数据,并利用雨流计数法对模型进行疲劳分析.实验结果表明:在外流流速相同的条件下,三螺旋导板各种覆盖方案对涡激振动都有抑制作用;随着螺旋导板覆盖率的增加,立管的振动减弱,疲劳寿命增加;覆盖螺旋导板的立管顺流向振动频率明显降低,横向振动频率当覆盖率较高时有所降低,覆盖率较低时基本没有变化.     

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。