海洋工程上涡激振动概述及其主要研究方法简介

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从流体的角度来分析,任何非流线型物体,在一定的恒定流速下,都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。对于海洋工程上普遍采用的圆柱形断面结构物,这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的,或者柔性管体允许发生弹性变形,那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振动,这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体一结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”。

在处理涡激振动问题时,把流体和固体弹性系统作为一个统一的动力系统加以考虑,并找到两者的耦合条件,是解决这个问题的重要关键。在涡激振动过程中,流体的动压力是一种作用于弹性系统的外加载荷,动压力的大小取决于弹性系统振动的位移、速度和加速度;另一方面,流体动压力的作用又会改变弹性系统振动的位移、速度和加速度。这种互相作用的物理性质表现为流体对于弹性系统在惯性、阻尼和弹性诸方面的耦合现象。

由惯性耦合产生附连质量,在有流速场存在的条件下,由阻尼耦合产生附连阻尼,由弹性耦合产生附连刚度。流体的附连质量、阻尼和刚度取决于流场的流动特征参量(诸如流速、水深、流量等)、边界条件以及弹性系统的特性,其关系式相当复杂。用实验或理论方法求出这些附连的量,是水弹性问题研究中的重要课题。

海洋工程上涡激振动概述及其主要研究方法简介

不同Re数下均匀来流绕固定光滑圆柱体的尾流形式

Blevins,1990

海洋工程上涡激振动概述及其主要研究方法简介

分布于不同水深的海洋石油开采平台系统和发生于不规则流动中的海洋柔性管的涡激振动

三种主要研究方法

1. 实验方法

泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场耦合,相互作用的复杂过程。需要具有一套完整物理实验方案和精密的实验仪器可以把所有的涡激振动相关机型同步观测,以测定其联合效应。物理实验往往很难同时提供流体的瞬时变化数据。

 

2. 数值方法

对于数值模拟方法,按照所使用湍流模型的不同,可以将涡激振动的数值模拟方法分为:直接数值模拟方法,雷诺平均N-S方程法,大涡模拟法,涡元法,还有基于上述各种方法的综合。按照模拟方式的不同又可以分为基于弹性支撑的刚体二维模拟,基于弹性体二维涡元模拟和三维结构插值积分的离散涡元法模拟,以及对于弹性体完全使用三维模型的全流域模拟等等。

 

3. 半经验公式

半经验公式主要有尾流阵子,单自由度模型,流体力组分模型。

海洋工程上涡激振动概述及其主要研究方法简介

流固耦合计算过程流程图

流固耦合数值计算软件:

  • Ansys+CFX

  • Fluent+Abaqus

  • Adina

  • COMSOL Multiphysics(FEMLAB)

海洋工程上涡激振动概述及其主要研究方法简介

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