本文選題：受迫振蕩 + 渦激振動��； 參考：《中國海洋大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：海洋工程領(lǐng)域中很多關(guān)鍵結(jié)構(gòu)物都是圓柱形結(jié)構(gòu)，例如海洋立管，系泊纜等。隨著深海開發(fā)速度的加快，要求更長更可靠的立管系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)作為其正常開發(fā)和生產(chǎn)的保證，這就需要對圓柱形結(jié)構(gòu)物進(jìn)行深入的水動力學(xué)研究，研究其在復(fù)雜流場下流固耦合的特性等。以立管為代表的圓柱形結(jié)構(gòu)物在來流的作用下會產(chǎn)生渦激振動從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞，渦激振動是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物疲勞破壞的最主要的原因之一。所以針對圓柱體開展的受迫振動和渦激振動研究對于研究海洋工程立管的渦激振動有著重要的意義。 本文作為國家自然科學(xué)基金課題“考慮大位移流固耦合的深水立管渦激振動研究”（No.51179179）的組成部分，目的在于深入了解以立管為代表的圓柱形海洋工程結(jié)構(gòu)物在均勻流和振蕩流疊加的流場下受迫振動和渦激振動響應(yīng)和機(jī)理，為課題研究的深水立管渦激振動提供基礎(chǔ)研究和不同流場情況下的受力及動力響應(yīng)方面的參考依據(jù)。 本文對國內(nèi)外圓柱體和立管受迫振動以及渦激振動的最新研究成果做了介紹給出了圓柱體渦激振動的基本參數(shù)。研究了不同流場（均勻流以及均勻流和振蕩流疊加共同作用）下圓柱體繞流的受力、振動位移、尾流場的漩渦發(fā)放、受力與振動位移的相位關(guān)系以及圓柱體不同質(zhì)量比阻尼因子組合參數(shù)（m ζ）對渦激振動的影響。本文圓柱體受迫振動的方式、渦激振動的流固耦合以及振蕩流和均勻流的疊加均通過編程來實現(xiàn)，圓柱體在均勻流和振蕩流中所受到的沿流向的拖曳力和慣性力也通過編程來分解。本論文的主要內(nèi)容和結(jié)果總結(jié)為如下幾點： （1）本文對前人在圓柱體受迫振動和渦激振動方面的研究做了總結(jié)和介紹，，概述了圓柱體渦激振動的機(jī)理和基本參數(shù)，并對不同流場下（均勻流，振蕩流）圓柱繞流做了總結(jié)與分析。 （2）介紹了本文所采用的數(shù)值計算方法以及數(shù)值計算的控制方程等。對網(wǎng)格劃分方式和動網(wǎng)格的三種不同類型進(jìn)行了對比分析，總結(jié)了三種動網(wǎng)格的特點和適用范圍，選取了適合本文的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及動態(tài)層模型。 （3）通過對靜水中振蕩圓柱體的數(shù)值模擬并與實驗結(jié)果對比，從而在動態(tài)層模型的動網(wǎng)格中發(fā)現(xiàn)了計算精度更高的網(wǎng)格運動方法，并對CFD計算中遇到的不收斂情況進(jìn)行了計算對比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)計算區(qū)域的邊界離結(jié)構(gòu)物沒有足夠的距離時，壁面會對結(jié)構(gòu)物附近的流場產(chǎn)生影響，此時使用較密集的網(wǎng)格反而會導(dǎo)致計算結(jié)果的不收斂，不會得到更好的計算結(jié)果。 （4）建立了圓柱體受迫振蕩的模型，首先計算了圓柱體在均勻流中的受力和尾流漩渦發(fā)放并進(jìn)行了分析，通過與文獻(xiàn)實驗結(jié)果對比，驗證了計算網(wǎng)格模型的可靠性。其次對不同頻率比的圓柱體的橫向受迫振蕩進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了圓柱體的升力阻力曲線以及不同頻率比的尾流漩渦發(fā)放相位，發(fā)現(xiàn)了“拍頻”和“相位突變”的現(xiàn)象，并與文獻(xiàn)實驗結(jié)果進(jìn)行了對比，驗證了計算的準(zhǔn)確性。最后對橫向受迫振蕩圓柱體在均勻流和振蕩流共同作用下的情況進(jìn)行了計算模擬，為了與均勻流單獨作用的情況對比，采用了與均勻流單獨作用時相同的振動頻率比計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)疊加較小KC數(shù)的振蕩流（振蕩流Re=15, KC=0.56）時，圓柱體流場受力、鎖定、拍頻以及相位突變均與均勻流單獨作用時相似。但是在增大KC數(shù)之后(振蕩流Re=100，K C=2.51)，原來處在鎖定范圍的頻率比f/fs=0.85已經(jīng)不在鎖定范圍內(nèi)， f/fs=1.15時的“拍頻”現(xiàn)象也隨之消失，失去了周期性，沒有固定的頻率。 （5）建立了彈性支撐圓柱體自激振動模型，首先計算了彈性支撐圓柱體在均勻流中的渦激振動，完整的模擬了彈性支撐圓柱體渦激振動的鎖定階段、鎖定過渡階段以及非鎖定階段，數(shù)值計算中的參數(shù)均采用AnagnostoplulosBearman(1992)[137]物理模型實驗中的參數(shù)，將得到的振動位移曲線和頻率比等計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果能夠很好的與實驗結(jié)果吻合。本文分析了數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)入鎖定階段較早于實驗結(jié)果的原因是實驗中圓柱體下方未安裝擋板，導(dǎo)致尾渦發(fā)放頻率會小一些。在計算中也發(fā)現(xiàn)了“拍頻”和“相位突變”的現(xiàn)象。第二部分改變了圓柱體振動系統(tǒng)的質(zhì)量比（保持質(zhì)量比阻尼因子組合參數(shù)不變），發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量比圓柱振動系統(tǒng)的鎖定范圍要比高質(zhì)量比時大，之后對阻尼因子的測試顯示提高阻尼因子鎖定范圍基本不變，但圓柱體最大振幅略有減小。第三部分研究了彈性支撐圓柱體在均勻流和振蕩流共同作用下的振動響應(yīng)、受力分析以及尾流場漩渦脫落的情況。本文計算了不同KC數(shù)的振蕩流疊加均勻流的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量比時，均勻流疊加振蕩流會使鎖定范圍增大，疊加流的平均速度越靠近鎖定中間段（均勻流單獨作用下的鎖定范圍），鎖定范圍增加的越大。低質(zhì)量比的時候，振蕩流疊加均勻流使鎖定范圍增加的更大，當(dāng)振蕩流增加到一定程度之后，彈性支撐圓柱體還會出現(xiàn)以較大振幅無規(guī)則振動的情況，這種隨機(jī)振動的量級已經(jīng)達(dá)到了鎖振階段的水平，因此是不可以忽略的。另外在尾流場渦瀉的觀察中發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)量比時疊加流場中出現(xiàn)了圓柱體尾流中上下兩個尾渦同時脫離圓柱體，成對脫落（不再交替發(fā)放）的現(xiàn)象。低質(zhì)量比時圓柱體渦激振動尾流的漩渦脫落在2S模態(tài)的時候還會出現(xiàn)沿著水平方向的低頻擺動，即尾流發(fā)放的中心線會與水平方向保持一定的夾角。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P75

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1939955