粗糙圆柱体涡激振动响应数值模拟
本文关键词： 涡激振动 流固耦合 粗糙度 锁定 数值模拟 出处：《西南石油大学》2017年硕士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：海洋工程中很多柔性圆柱形的结构物在海流的作用下会发生涡激振动(Vortex Induced Vibration,VIV)。涡激振动会进一步引起结构的疲劳甚至破坏,造成巨大的经济损失。使用一段时间后,海洋圆柱形结构物表面存在的粗糙度会改变原有结构的涡激振动响应特性。因此粗糙表面结构物的涡激振动响应特性研究对准确预报涡激振动具有重要的理论和实际意义。本文主要内容包括:(1)通过在Fluent软件中嵌入求解圆柱体动力学方程的UDF(User-Defined Function)模块和动网格的方法,实现了光滑圆柱体的双自由度流固耦合振动数值模拟。与实验结果进行对比后,证实了此数值模拟方法的可靠性。通过应用等效砂粒粗糙度模型,模拟了四种不同数量级粗糙度的圆柱体涡激振动。详细分析和总结了光滑圆柱体和粗糙圆柱体的升阻力系数、无因次位移响应、漩涡脱落频率、运动轨迹、位移与涡激力之间的相位角和漩涡泄放模式等的变化规律;归纳了"锁定"和不同区间的判断和划分依据;深入探究了漩涡泄放模式发生转变的原因。综合考虑圆柱体振动轨迹、频率比、锁定区间等因素后,将折合速度区间划分为初始分支、上分支、下分支和解锁区间,以方便进一步的研究分析。(2)通过对粗糙圆柱体的数值模拟研究发现:小粗糙度不会影响圆柱体的涡激振动响应特性。随着粗糙度的增加,圆柱体CF方向的最大振动位移逐渐由1.08D减小至0.78D;锁定区域宽度由6.5逐渐减小至5.0。在锁定区域内,圆柱振动轨迹呈规则的"8"字型,漩涡泄放频率一直保持在结构固有频率附近。在初始分支、上分支和解锁区间内,漩涡的泄放形式都为2S模式;下分支的漩涡泄放形式都为2P模式。(3)当圆柱的粗糙度较小(光滑、Ks/D=1×10-4、Ks/D=5×10-3)时,在上分支区间,CF方向振动位移随折合速度的的增加逐渐增至最大值;当Vr从上分支进入低分支时,升力中占主导的涡激力系数和位移响应之间的相位差发生了 180°的转变;振动响应幅值出现明显的跳跃下降现象,而振动响应频率则由0.9fn直接跳跃至1.25fn左右;以上变化导致漩涡泄放形式从2S模式转变至2P模式。当圆柱的粗糙度较大(Ks/D=1×10-2,Ks/D=2×10-2)时,上分支减小为一个折合速度点,CF方向的位移最大点出现在了下分支区间;在向下分支转变的过程中,圆柱CF方向振幅增大,频率比由0.9fn左右突变至1.1fn左右,涡激力系数和横向位移的相位差也从0°左右增至近180°;在下分支区间内漩涡泄放形式表现为两种不同的2P模式,这主要是由于斯托劳哈尔数的减小导致的。
[Abstract]:Many flexible cylindrical structures in ocean engineering can generate vortex induced vibration ( VIV ) under the action of ocean currents . In this paper , the numerical simulation of two - degree - of - freedom flow - solid - coupling vibration of a smooth cylinder is studied by means of the numerical simulation of rough cylinder . ( 3 ) When the roughness of the cylinder is small ( smooth , Ks / D = 1 脳 10 - 4 , Ks / D = 5 脳 10 - 3 ) , the vibration displacement in the direction of CF increases with the increase of the folding speed to the maximum value .
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P75;TE95
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，本文编号：1498967
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