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

【摘要】海洋工程领域中很多关键结构物都是圆柱形结构，例如海洋立管，系泊缆等。随着深海开发速度的加快，要求更长更可靠的立管系统和系泊系统作为其正常开发和生产的保证，这就需要对圆柱形结构物进行深入的水动力学研究，研究其在复杂流场下流固耦合的特性等。以立管为代表的圆柱形结构物在来流的作用下会产生涡激振动从而导致结构疲劳破坏，涡激振动是导致结构物疲劳破坏的最主要的原因之一。所以针对圆柱体开展的受迫振动和涡激振动研究对于研究海洋工程立管的涡激振动有着重要的意义。本文作为国家自然科学基金课题“考虑大位移流固耦合的深水立管涡激振动研究”（No.51179179）的组成部分，目的在于深入了解以立管为代表的圆柱形海洋工程结构物在均匀流和振荡流叠加的流场下受迫振动和涡激振动响应和机理，为课题研究的深水立管涡激振动提供基础研究和不同流场情况下的受力及动力响应方面的参考依据。本文对国内外圆柱体和立管受迫振动以及涡激振动的最新研究成果做了介绍给出了圆柱体涡激振动的基本参数。研究了不同流场（均匀流以及均匀流和振荡流叠加共同作用）下圆柱体绕流的受力、振动位移、尾流场的漩涡发放、受力与振动位移的相位关系以及圆柱体不同质量比阻尼因子组合参数（mζ）对涡激振动的影响。本文圆柱体受迫振动的方式、涡激振动的流固耦合以及振荡流和均匀流的叠加均通过编程来实现，圆柱体在均匀流和振荡流中所受到的沿流向的拖曳力和惯性力也通过编程来分解。本论文的主要内容和结果总结为如下几点：（1）本文对前人在圆柱体受迫振动和涡激振动方面的研究做了总结和介绍，概述了圆柱体涡激振动的机理和基本参数，并对不同流场下（均匀流，振荡流）圆柱绕流做了总结与分析。（2）介绍了本文所采用的数值计算方法以及数值计算的控制方程等。对网格划分方式和动网格的三种不同类型进行了对比分析，总结了三种动网格的特点和适用范围，选取了适合本文的结构化网格以及动态层模型。（3）通过对静水中振荡圆柱体的数值模拟并与实验结果对比，从而在动态层模型的动网格中发现了计算精度更高的网格运动方法，并对CFD计算中遇到的不收敛情况进行了计算对比分析，发现当计算区域的边界离结构物没有足够的距离时，壁面会对结构物附近的流场产生影响，此时使用较密集的网格反而会导致计算结果的不收敛，不会得到更好的计算结果。（4）建立了圆柱体受迫振荡的模型，首先计算了圆柱体在均匀流中的受力和尾流漩涡发放并进行了分析，通过与文献实验结果对比，验证了计算网格模型的可靠性。其次对不同频率比的圆柱体的横向受迫振荡进行了数值模拟，得到了圆柱体的升力阻力曲线以及不同频率比的尾流漩涡发放相位，发现了“拍频”和“相位突变”的现象，并与文献实验结果进行了对比，验证了计算的准确性。最后对横向受迫振荡圆柱体在均匀流和振荡流共同作用下的情况进行了计算模拟，为了与均匀流单独作用的情况对比，采用了与均匀流单独作用时相同的振动频率比计算，发现当叠加较小KC数的振荡流（振荡流Re=15,KC=0.56）时，圆柱体流场受力、锁定、拍频以及相位突变均与均匀流单独作用时相似。但是在增大KC数之后(振荡流Re=100，KC=2.51)，原来处在锁定范围的频率比f/fs=0.85已经不在锁定范围内，f/fs=1.15时的“拍频”现象也随之消失，失去了周期性，没有固定的频率。（5）建立了弹性支撑圆柱体自激振动模型，首先计算了弹性支撑圆柱体在均匀流中的涡激振动，完整的模拟了弹性支撑圆柱体涡激振动的锁定阶段、锁定过渡阶段以及非锁定阶段，数值计算中的参数均采用Anagnostoplulos&Bearman(1992)[137]物理模型实验中的参数，将得到的振动位移曲线和频率比等计算结果与实验结果进行比较，结果能够很好的与实验结果吻合。本文分析了数值计算结果进入锁定阶段较早于实验结果的原因是实验中圆柱体下方未安装挡板，导致尾涡发放频率会小一些。在计算中也发现了“拍频”和“相位突变”的现象。第二部分改变了圆柱体振动系统的质量比（保持质量比阻尼因子组合参数不变），发现低质量比圆柱振动系统的锁定范围要比高质量比时大，之后对阻尼因子的测试显示提高阻尼因子锁定范围基本不变，但圆柱体最大振幅略有减小。第三部分研究了弹性支撑圆柱体在均匀流和振荡流共同作用下的振动响应、受力分析以及尾流场漩涡脱落的情况。本文计算了不同KC数的振荡流叠加均匀流的情况，结果发现高质量比时，均匀流叠加振荡流会使锁定范围增大，叠加流的平均速度越靠近锁定中间段（均匀流单独作用下的锁定范围），锁定范围增加的越大。低质量比的时候，振荡流叠加均匀流使锁定范围增加的更大，当振荡流增加到一定程度之后，弹性支撑圆柱体还会出现以较大振幅无规则振动的情况，这种随机振动的量级已经达到了锁振阶段的水平，因此是不可以忽略的。另外在尾流场涡泻的观察中发现，高质量比时叠加流场中出现了圆柱体尾流中上下两个尾涡同时脱离圆柱体，成对脱落（不再交替发放）的现象。低质量比时圆柱体涡激振动尾流的漩涡脱落在2S模态的时候还会出现沿着水平方向的低频摆动，即尾流发放的中心线会与水平方向保持一定的夹角。
【作者】邓跃；
【导师】黄维平；
【作者基本信息】中国海洋大学，港口、海岸及近海工程，2014，博士
【关键词】受迫振荡；涡激振动；圆柱；均匀流；振荡流；质量比；阻尼因子；

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