基于改进尾流振子模型的涡激振动预报方法及其应用研究
发布时间：2022-01-01 14:56
在海洋工程中,细长结构经常会面临涡激振动问题。涡激振动响应受到细长结构自身参数和流场形式的共同影响。由于海上油田所处水深从十几米到上千米范围,开采量也各不相同,因此细长结构的参数范围变化很大。此外,不同海域的流场形式也不相同,除了常规的定常流,振荡流也会导致涡激振动。上述情形都对涡激振动响应预报的精确性提出了挑战。涡激振动会导致疲劳累积损伤。在整个回复周期内,海流具有时变特性,这对涡激疲劳寿命的计算效率和精度都提出了挑战。涡激振动除了带来疲劳损伤,也具有获取海流能量的潜力。当细长结构附加了俘能装置,一些系统参数会在时域内具备振荡特性,使得涡激振动响应与无俘能装置时相比有很大不同。本文在归纳总结国内外研究现状基础上,将理论研究与工程应用紧密结合,建立并研究了适用于不同海况和工况条件下的改进的涡激振动尾流振子模型。在此基础上,探讨了模型在疲劳和俘能分析中的应用。本文具体研究如下:（1）针对定常流条件,推导并求解了应用于细长结构涡激振动的尾流振子模型。为使模型在各类输入参数条件下都能取得精确结果,引入经验参数修正系数和模型区分准数的概念,建立了“结构参数-区分准数-修正系数-约化速度”的经验...
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
圆柱涡激振动漩涡脱落（Ａ为分离点；Ｂ为剪切层；Ｃ为尾流区）
图 1.3 卡门涡街Fig. 1.3 Karman vortex street体两侧交替，周期性发生和脱落的。这种流场形式将作用在圆柱体上的脉动压差，这被称之为涡激升力游泄放时，它对柱体的涡激升力降低，而下一个漩涡力。这样，不断交替脱落的漩涡就会产生周期性的变周期与结构自振周期接近时，流固耦合效应就会共振现象就会被激发。当共振发生时，结构的振动幅动又会反过来影响流场，造成流体作用力的变化。最会达到一种动态平衡，即结构振动频率与旋涡脱落定”现象。此时，圆柱结构在水中的振动频率与漩涡且，漩祸脱落的频率在水流流速一定范围内并不遵循的斯特劳哈尔定律（见式（1.2）），这种现象也被称时，漩涡的强度增大，漩涡脱落产生的作用力更加
图 1.4 St 随 Re 及表面粗糙度的变化Fig. 1.4 St changes with Re and surface roughness Re 以及圆柱的表面粗糙度有关。对于固定的刚性圆柱，实验测得示[6,7]。对比图 1.4 和表 1.1 可知，在次临界阶段，St 没有太大的漩涡脱落较为规则，St 稳定在 0.20 附近。当雷诺数进入过渡段粗糙度分散。随后进入超临界阶段后，St 数大于 0.2 并且开始上）约化速度速度表示一个振动周期内水流沿流向的无量纲距离。如式（1.3RnUUf D 表示结构在水中的固有频率。式（1.2）和（1.3），可发现约化速度的表达式与斯特劳哈尔频，当 fn=fst时，约化速度即为 St 的倒数。基于此，约化速度可以涡激振动是否发生“锁定”现象，也可以判定是否发生明显的涡
【参考文献】：
期刊论文
[1]带螺旋侧板立管两向涡激振动的试验研究[J]. 周阳,黄维平,杨斌,潘冲,宋泽坤. 振动与冲击. 2018(17)
[2]基于改进尾流振子模型的柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究[J]. 高云,谭暖,熊友明,邹丽,宗智. 振动与冲击. 2017(22)
[3]我国海洋能商业化应用取得突破[J]. 吕银铃. 能源研究与利用. 2017(05)
[4]大坡度海底管道悬跨及疲劳分析[J]. 康庄,李平,宋儒鑫,曹先凡,刘振纹. 船海工程. 2015(06)
[5]影响从涡激振动中获取能量的参数研究[J]. 罗竹梅,张立翔. 振动与冲击. 2014(09)
[6]PREDICTION OF VORTEX-INDUCED VIBRATION OF LONG FLEXIBLE CYLINDERS MODELED BY A COUPLED NONLINEAR OSCILLATOR:INTEGRAL TRANSFORM SOLUTION[J]. GU Ji-jun,AN Chen,LEVI Carlos,SU Jian. Journal of Hydrodynamics. 2012(06)
[7]采用改进尾流振子模型的柔性海洋立管的涡激振动响应分析[J]. 陈伟民,张立武,李敏. 工程力学. 2010(05)
[8]Flow-induced vibrations of long circular cylinders modeled by coupled nonlinear oscillators[J]. GE Fei, LONG Xu, WANG Lei & HONG YouShi State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China. Science in China（Series G:Physics,Mechanics & Astronomy）. 2009(07)
博士论文
[1]海流能发电涡激振动驱动的水动力特性及能量获取研究[D]. 罗竹梅.昆明理工大学 2016
[2]深水钻井隔水管动力特性及涡激振动响应实验与理论研究[D]. 毛良杰.西南石油大学 2015
[3]低雷诺数下均匀流和振荡流共同作用的圆柱体受迫振动和涡激振动研究[D]. 邓跃.中国海洋大学 2014
[4]深海立管参激—涡激联合振动与疲劳特性研究[D]. 张杰.天津大学 2014
[5]深水钻井隔水管完整性及台风事故应对策略研究[D]. 刘秀全.中国石油大学(华东) 2014
[6]细长结构的流致振动及其俘能研究[D]. 代胡亮.华中科技大学 2014
[7]多根控制杆对细长柔性立管涡激振动抑制作用的实验及数值研究[D]. 吴浩.大连理工大学 2013
[8]双自由度涡激振动的涡强尾流振子模型研究[D]. 秦伟.哈尔滨工程大学 2013
[9]立管涡激振动的实验研究与离散涡法数值模拟[D]. 宋吉宁.大连理工大学 2012
[10]管土耦合边界下海底悬跨管道涡激振动研究[D]. 艾尚茂.哈尔滨工程大学 2010
硕士论文
[1]深水隔水管涡激振动控制装置的数值模拟[D]. 谭波.上海交通大学 2009
[2]流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验研究[D]. 姚宗.上海交通大学 2008
本文编号：3562359
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
圆柱涡激振动漩涡脱落（Ａ为分离点；Ｂ为剪切层；Ｃ为尾流区）
图 1.3 卡门涡街Fig. 1.3 Karman vortex street体两侧交替，周期性发生和脱落的。这种流场形式将作用在圆柱体上的脉动压差，这被称之为涡激升力游泄放时，它对柱体的涡激升力降低，而下一个漩涡力。这样，不断交替脱落的漩涡就会产生周期性的变周期与结构自振周期接近时，流固耦合效应就会共振现象就会被激发。当共振发生时，结构的振动幅动又会反过来影响流场，造成流体作用力的变化。最会达到一种动态平衡，即结构振动频率与旋涡脱落定”现象。此时，圆柱结构在水中的振动频率与漩涡且，漩祸脱落的频率在水流流速一定范围内并不遵循的斯特劳哈尔定律（见式（1.2）），这种现象也被称时，漩涡的强度增大，漩涡脱落产生的作用力更加
图 1.4 St 随 Re 及表面粗糙度的变化Fig. 1.4 St changes with Re and surface roughness Re 以及圆柱的表面粗糙度有关。对于固定的刚性圆柱，实验测得示[6,7]。对比图 1.4 和表 1.1 可知，在次临界阶段，St 没有太大的漩涡脱落较为规则，St 稳定在 0.20 附近。当雷诺数进入过渡段粗糙度分散。随后进入超临界阶段后，St 数大于 0.2 并且开始上）约化速度速度表示一个振动周期内水流沿流向的无量纲距离。如式（1.3RnUUf D 表示结构在水中的固有频率。式（1.2）和（1.3），可发现约化速度的表达式与斯特劳哈尔频，当 fn=fst时，约化速度即为 St 的倒数。基于此，约化速度可以涡激振动是否发生“锁定”现象，也可以判定是否发生明显的涡
【参考文献】：
期刊论文
[1]带螺旋侧板立管两向涡激振动的试验研究[J]. 周阳,黄维平,杨斌,潘冲,宋泽坤. 振动与冲击. 2018(17)
[2]基于改进尾流振子模型的柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究[J]. 高云,谭暖,熊友明,邹丽,宗智. 振动与冲击. 2017(22)
[3]我国海洋能商业化应用取得突破[J]. 吕银铃. 能源研究与利用. 2017(05)
[4]大坡度海底管道悬跨及疲劳分析[J]. 康庄,李平,宋儒鑫,曹先凡,刘振纹. 船海工程. 2015(06)
[5]影响从涡激振动中获取能量的参数研究[J]. 罗竹梅,张立翔. 振动与冲击. 2014(09)
[6]PREDICTION OF VORTEX-INDUCED VIBRATION OF LONG FLEXIBLE CYLINDERS MODELED BY A COUPLED NONLINEAR OSCILLATOR:INTEGRAL TRANSFORM SOLUTION[J]. GU Ji-jun,AN Chen,LEVI Carlos,SU Jian. Journal of Hydrodynamics. 2012(06)
[7]采用改进尾流振子模型的柔性海洋立管的涡激振动响应分析[J]. 陈伟民,张立武,李敏. 工程力学. 2010(05)
[8]Flow-induced vibrations of long circular cylinders modeled by coupled nonlinear oscillators[J]. GE Fei, LONG Xu, WANG Lei & HONG YouShi State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China. Science in China（Series G:Physics,Mechanics & Astronomy）. 2009(07)
博士论文
[1]海流能发电涡激振动驱动的水动力特性及能量获取研究[D]. 罗竹梅.昆明理工大学 2016
[2]深水钻井隔水管动力特性及涡激振动响应实验与理论研究[D]. 毛良杰.西南石油大学 2015
[3]低雷诺数下均匀流和振荡流共同作用的圆柱体受迫振动和涡激振动研究[D]. 邓跃.中国海洋大学 2014
[4]深海立管参激—涡激联合振动与疲劳特性研究[D]. 张杰.天津大学 2014
[5]深水钻井隔水管完整性及台风事故应对策略研究[D]. 刘秀全.中国石油大学(华东) 2014
[6]细长结构的流致振动及其俘能研究[D]. 代胡亮.华中科技大学 2014
[7]多根控制杆对细长柔性立管涡激振动抑制作用的实验及数值研究[D]. 吴浩.大连理工大学 2013
[8]双自由度涡激振动的涡强尾流振子模型研究[D]. 秦伟.哈尔滨工程大学 2013
[9]立管涡激振动的实验研究与离散涡法数值模拟[D]. 宋吉宁.大连理工大学 2012
[10]管土耦合边界下海底悬跨管道涡激振动研究[D]. 艾尚茂.哈尔滨工程大学 2010
硕士论文
[1]深水隔水管涡激振动控制装置的数值模拟[D]. 谭波.上海交通大学 2009
[2]流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验研究[D]. 姚宗.上海交通大学 2008
本文编号：3562359
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