圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合模型研究
发布时间：2021-07-26 22:29
基于尾流振子模型对刚性圆柱体在横流以及顺流方向涡激振动耦合模型进行了研究。首先建立了横流以及顺流方向考虑结构几何非线性的结构振子以及尾流振子模型,其次基于二阶精度中心差分格式对模型进行先离散后迭代求解,再次通过与他人实验结果进行对比验证了该数值模型的可靠性,最后对不同质量比、不同结构阻尼比以及不同几何非线性系数下圆柱体涡激振动响应振动幅值以及振动轨迹进行了分析。分析结果表明:随着质量比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值均呈下降趋势,锁定区间宽度逐渐变窄。随着结构阻尼比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值同样呈下降趋势,而锁定区间宽度逐渐变宽。随着折合速度的增加,结构振动轨迹依次出现斜"8"字形、"月牙"形以及正"8"字形。随着几何非线性系数的增加,横流以及顺流方向振动幅值从上分支进入低分支时的位移突降现象会变得越来越明显。
【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
均匀来流下刚性圆柱体二自由度涡激振动耦合模型
如图2所示,假设结构的振动速度V方向与流速U方向的夹角为θ,假设振动速度V与流速U比起来可看作是小量,可得到夹角θ也为小量。此时Fx以及Fy可表示如下F x = F - D +F D cosθ-F L sinθ≈ F - D +F D - F L U dY(Τ) dΤ , F y =F L cosθ+F D sinθ≈F L + F D U dY(Τ) dΤ ?????? ??? (11)
图3给出了Stappenbelt等实验方法以及本文尾流振子模型方法得到的CF以及IL方向的振动幅值。这里值得注意的是:由于本文数值模型得到的Ax/D包括两部分,即平均拖曳力 F - D 引起的平均位移以及振荡拖曳力FD引起的振荡位移。因此,在后续分析中需要将 F - D 引起的平均位移加以消除,只留下FD引起的振荡位移。由图3可以看出:本文数值方法以及他人实验方法得到的Ay/D以及Ax/D随折合速度Ur的变化趋势一致:随着Ur的增加,振动幅值明显增大,响应区间从初始分支(initial branch)进入上分支(upper branch);随后Ur的进一步增加,振动幅值出现突降,进入低分支(lower branch)。实验方法以及本文数值方法得到的不同折合速度下Ay/D以及Ax/D的最大值均非常接近:Ay/D最大值均在1.5附近;Ax/D最大值均在0.25附近。且两种方法得到的振动幅值最大值均出现在Ur=8.5附近。总体上来说,本文尾流振子模型方法的数值计算结果与Stappenbelt等的实验结果吻合较好,从而验证了本文数值模型的可靠性。3 分析与讨论
【参考文献】：
期刊论文
[1]圆柱体涡激振动的高阶非线性振子模型研究[J]. 康庄,张橙,付森,徐祥. 振动与冲击. 2018(18)
[2]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)
[3]柔性圆柱涡激振动流体力系数识别及其特性[J]. 徐万海,马烨璇,罗浩,栾英森. 力学学报. 2017(04)
[4]柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究[J]. 高云,刘黎明,付世晓,宗智,邹丽. 船舶力学. 2017(05)
[5]倾斜流作用下柔性立管涡激振动的数值模拟[J]. 及春宁,邢国源,张力,许栋. 哈尔滨工程大学学报. 2018(02)
[6]剪切流下发生涡激振动的柔性立管阻力特性研究[J]. 宋磊建,付世晓,于大鹏,任铁,张萌萌. 力学学报. 2016(02)
[7]高雷诺数下圆柱顺流向和横向涡激振动分析[J]. 唐友刚,樊娟娟,张杰,王丽元,桂龙. 振动与冲击. 2013(13)
[8]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)
[9]采用新的结构—尾流反作用力耦合模型分析圆柱结构涡激共振[J]. 宋芳,林黎明,凌国灿. 水动力学研究与进展A辑. 2009(05)
本文编号：3304488
【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
均匀来流下刚性圆柱体二自由度涡激振动耦合模型
如图2所示,假设结构的振动速度V方向与流速U方向的夹角为θ,假设振动速度V与流速U比起来可看作是小量,可得到夹角θ也为小量。此时Fx以及Fy可表示如下F x = F - D +F D cosθ-F L sinθ≈ F - D +F D - F L U dY(Τ) dΤ , F y =F L cosθ+F D sinθ≈F L + F D U dY(Τ) dΤ ?????? ??? (11)
图3给出了Stappenbelt等实验方法以及本文尾流振子模型方法得到的CF以及IL方向的振动幅值。这里值得注意的是:由于本文数值模型得到的Ax/D包括两部分,即平均拖曳力 F - D 引起的平均位移以及振荡拖曳力FD引起的振荡位移。因此,在后续分析中需要将 F - D 引起的平均位移加以消除,只留下FD引起的振荡位移。由图3可以看出:本文数值方法以及他人实验方法得到的Ay/D以及Ax/D随折合速度Ur的变化趋势一致:随着Ur的增加,振动幅值明显增大,响应区间从初始分支(initial branch)进入上分支(upper branch);随后Ur的进一步增加,振动幅值出现突降,进入低分支(lower branch)。实验方法以及本文数值方法得到的不同折合速度下Ay/D以及Ax/D的最大值均非常接近:Ay/D最大值均在1.5附近;Ax/D最大值均在0.25附近。且两种方法得到的振动幅值最大值均出现在Ur=8.5附近。总体上来说,本文尾流振子模型方法的数值计算结果与Stappenbelt等的实验结果吻合较好,从而验证了本文数值模型的可靠性。3 分析与讨论
【参考文献】：
期刊论文
[1]圆柱体涡激振动的高阶非线性振子模型研究[J]. 康庄,张橙,付森,徐祥. 振动与冲击. 2018(18)
[2]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)
[3]柔性圆柱涡激振动流体力系数识别及其特性[J]. 徐万海,马烨璇,罗浩,栾英森. 力学学报. 2017(04)
[4]柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究[J]. 高云,刘黎明,付世晓,宗智,邹丽. 船舶力学. 2017(05)
[5]倾斜流作用下柔性立管涡激振动的数值模拟[J]. 及春宁,邢国源,张力,许栋. 哈尔滨工程大学学报. 2018(02)
[6]剪切流下发生涡激振动的柔性立管阻力特性研究[J]. 宋磊建,付世晓,于大鹏,任铁,张萌萌. 力学学报. 2016(02)
[7]高雷诺数下圆柱顺流向和横向涡激振动分析[J]. 唐友刚,樊娟娟,张杰,王丽元,桂龙. 振动与冲击. 2013(13)
[8]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)
[9]采用新的结构—尾流反作用力耦合模型分析圆柱结构涡激共振[J]. 宋芳,林黎明,凌国灿. 水动力学研究与进展A辑. 2009(05)
本文编号：3304488
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