涡激振动的非线性振子模型研究

发布时间：2020-10-14 15:09

　　 随着深海能源的开发和海洋工程的发展,海洋管道和立管的涡激振动问题受到了国内外的关注。对涡激振动的研究主要有三个方向,即实验、数值模拟和半经验数学模型。由于实验的费用较高,数值模拟对计算机资源的需求量大、效率低都很难满足工程需要,因此涡激振动的半经验模型受到了广泛关注。 本文针对涡激振动的半经验数学模型,分别基于动力学普遍方程(达朗贝尔-拉格朗日原理)和哈密顿原理建立了涡激振动的功率方程模型和尾流振子模型。 涡激振动的功率模型不需要任何假设,只借助连续介质力学的一般性质就可以推导出形式简洁的运动方程。但是,该模型需要结构附近的流场信息,仍属半经验模型。本文基于已有的实验数据,根据CFD数值模拟提供的流场信息对自由振动圆柱的功率方程进行了求解,同时对其可靠性进行了检验和讨论。 涡激振动的尾流振子模型在推导过程中使用了哈密顿原理,其该方法适用性强,易于拓展。尾流振子模型需要给出结构所受流体水动力和流体振子的非线性阻尼的数学表达形式。本文通过水动力参数和点涡模型分别给出了两种结构所受流体的水动力表达式,同时根据假设给出了流体振子阻尼的非线性表达式。最终,建立了一种新的尾流振子模型并进行了数值求解,然后与其它尾流振子模型进行了比较。在此基础上,本文对尾流振子模型中流体振子方程进行了非线性稳定性分析。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2011
【中图分类】：P756.2
【部分图文】：

哈尔滨l一程人学硕十学位沦文等人开发的。sHEAR7预测横流向的涡激振动响应。它可以模种约束条件。程序基于能量平衡原理预测结构的各阶模态响应，算结构总的响应。SHEAR7可以根据选取的分析模型类型以及模的模态参数、固有频率、模态振型以及模态曲率;还可以通过有的模态参数。SHEAR7的结果输出包括每一节点处的均方根位移伤、局部曳力系数、张力以及流速口7一侧。供了两种升力系数模型:保守模型与非保守模型。保守模型对于样的升力系数振幅曲线;而非保守模型在不同约化速度处采用不。非保守模型基于Gopalkrishna的实验数据。阻尼模型包括高流速区阻尼与低流速区阻尼两种形式。高流速区区的上部与下部区域。SHEAR7根据指定的约化速度双带宽判断尼区。

缆绳和热交换器的摧毁性作用，在工程实践中有着很重要的意义。在工程实际中产生涡激振动的例子很多。1940年，匠心独具的纽约塔科玛海峡悬索桥，由于气流引起的涡激振动而破坏[#5〕，如图2.1所示。1979年，在英吉利海峡，一个自升式钻井平台的钻井立管发生涡激振动而被迫停止生产。2001年三月，巴西一座石油钻井平台由于发生涡激振动而沉没，如图2.2所示。图2.1塔科玛海峡悬索桥图2.2正在倾覆的钻井平台

要想全面地了解结构在其旋涡尾流作用下的振动机理以及对锁定区的振动情况进行准确的预测是十分困难的。这是因为流体的分离现象以及由此而产生的尾流旋涡及其泄放过程是非常复杂的，对其机理至今也没有全面而系统的研究成果。观测及实验结果已经表明，当流体接近于一个非流线型物体的前缘时，因受阻滞，流体质点的压力就从自由流动压力升高到停滞压力。同时靠近前缘流体的高压促使正在形成中的附面层在圆柱体的两侧逐渐发展。但是在高雷诺数情况下，由压力产生的力不足以把附面层推到包围住非流线型圆柱体背面，而是在柱体断面宽度最大点附近产生分离点。分离点即为沿柱体表面速度由正到负的转变点或零速度点，在分离点后流体沿柱体表面将发生倒流，如图2.3和图2.4。边界层在分离点脱离柱体表面，并形成向下游延展的自由剪切层。两侧的剪切层之间为尾流区。在剪切层范围内，由于接近自由流区的外侧部分流速大于内侧部分，流体便有发生旋转并分散成若干个旋涡的趋势。圆柱体后面的旋涡系列被称为“涡街”。成型的旋涡流动和圆柱体运动的相互作用成为旋涡诱发纺构振动的根源晰，n7]。
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 郑治国,孙大成,刘宪亮;用湿模态法进行流固耦合分析时一个问题的探讨[J];华北水利水电学院学报;1998年02期

本文编号：2840830