双自由度涡激振动的涡强尾流振子模型研究

发布时间：2020-07-05 09:52

【摘要】：涡激振动是导致深水立管疲劳损伤的一个重要因素，关于圆柱状结构体涡激振动机理的研究正逐步趋于完善。现阶段提出的大量涡激振动预报模型主要针对圆柱体的单自由度横向振动，而结构在顺流向上的振动往往被限制或者忽略。最近的研究表明，对于海洋立管这种低质量比结构，涡激振动导致顺流向的疲劳损伤与横向上的疲劳损伤在同一量级。因此，正确地认识和描述顺流向和横向的双向涡激振动特性，全面地预报和评估立管结构的综合疲劳寿命，对保证海洋工程结构物的经济效益和服役期的安全运行有着重要的意义。本文针对结构的双向涡激振动问题开展了一系列研究，建立了一种具有工程实际意义的半经验模型来预报刚性圆柱体和细长柔性立管的顺流向和横向涡激振动响应。论文的主要内容和成果包括： (1)系统地归纳和评述了圆柱体双向涡激振动的研究现状和成果，阐释了涡激振动相关的若干物理概念和基本物理参数，总结了现有的涡激振动半经验性模型。 (2)基于二维离散点涡方法推导出流体对刚性圆柱体在顺流向和横向的脉动水动力，重新定义了传统尾流振子控制变量的含义，采用范德波尔方程描述近壁点涡的非线性特征，进而建立了一种能够预报双自由度涡激振动响应的涡强尾流振子模型，并给出了模型中经验参数的确定方法。利用本文模型预报了刚性圆柱体的双向涡激振动响应，得到的横向锁定、顺流向初始响应峰值、运动相位角以及“8”字形运动轨迹等的变化规律与实验结果吻合，同时讨论了质量比和阻尼比对结构顺流向和横向振幅响应的影响。 (3)针对水平放置的外径5cm，长120cm的刚性圆柱体开展了顺流向和横向在不同频率比条件下的双自由度涡激振动模型试验。试验中发现频率比可能对结构的涡激振动特性产生显著影响。当频率比在1.0附近时，圆柱的涡激振动特性与等频率比双自由度圆柱的结果没有明显不同，但随着频率比的增加顺流向和横向振幅以及两者之间的相位差发生了显著改变。利用涡强尾流振子模型预报了不同频率比的圆柱体涡激振动响应，分析了频率比和质量比对响应振幅和运动轨迹的影响。 (4)使用切片法建立了可以预报细长弹性体双向涡激振动的三维时域半经验模型。将该模型应用到研究在阶梯状来流作用下的顶部张紧式立管的涡激振动响应，结果显示顺流向振幅峰值小于横向振幅峰值，但是顺流向激活模态的阶数大约为横向振动的2倍。两个方向上的振动中均存在驻波和行波，当顺流向振动的模态较高时，处于静水中的立管上半段表现为驻波振动状态，截面的运动轨迹沿管变化较大，而处于均匀流的作用下的立管下半段将以行波振动为主，截面的运动轨迹更趋于均匀，模型预报的振动特性与实验结果吻合。 (5)利用三维涡强尾流振子模型分析了深水钢悬链立管的双向涡激振动响应。在自由剪切流的作用下，立管各节点的运动轨迹可能不会形成稳定的“8”字形，响应振幅和相位角随时间改变。顺流向的振动模态显著高于横向的振动模态，除靠近触地点立管段处于驻波振动，立管大部分中间段的行波效应明显。由于顺流向具有高频高模态的振动特性，该方向的涡激振动疲劳损伤与横向疲劳损伤在同一量级，且沿管的分布不同，因此考虑顺流向的影响将益于全面地评估立管的涡激振动疲劳损伤。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P756.2
【图文】：

卡门涡街,边界层,漩涡,涡激振动

[4]。在结构下游，通常会形成交替脱落的漩涡，即经典的“卡门涡街”，如图1.1所示，该漩涡主要特点表现为：稳定、非对称性、旋转方向相反并随主流向下游运动。图1.1 边界层与卡门涡街Fig 1.1 The boundary layer and Karman vortex street涡激振动具有很强的非线性特征。圆柱体共振时，漩涡泻放引起的载荷频率无需锁定于圆柱体在水中的基本固有频率，而可锁定于固有频率的次谐波和超谐波分量。随着振动幅值的增大，漩涡泻放强度增加，漩涡结构的改变将导致一个周期内出现更多的漩涡，漩涡的总环量随振幅的增大而增加。圆柱体最大涡激振动幅值由系统所能支撑的漩涡结构所决定，而漩涡结构与振动自由度、频率比、阻尼比、质量比和雷诺数等密切相关[5]。随着研究的深入，发现顺流向涡激振动可能影响涡激振动特性，特别是在低质量比条件下

斯特劳哈尔数,漩涡,无量纲分析,振荡流

图 2.1 漩涡泄放现象的漩涡发展阶段Fig 2.1 The whirlpool stage of development whirlpool discharge phenomenon.特劳哈尔数在无量纲分析中，斯特劳哈尔数(Strouhal number)被用来描述振荡流机制。1878特劳哈尔在研究风洞中流体通过钢丝绳的漩涡脱落的试验中发现在直径固定的情，漩涡的脱落频率随着来流速度的增加而提高，其关系中存在一个恒定常数，可为sttf DSU=中，U 为来流速度， D 为圆柱体外径， fst为静止柱体的泻涡频率。圆柱体的绕流问题中，斯特劳哈尔数(St)可以用来描述流体边界层分离的不稳定给出漩涡脱落与来流速度的关系。该参数与雷诺数有潜在的联系，图 2.2 给出了哈尔数和雷诺数的关系。在亚临界区(300<Re<1.5×105) 内，斯特劳哈尔数约 =0.21

【参考文献】