【摘要】：渦激振動(dòng)是導(dǎo)致深水立管疲勞損傷的一個(gè)重要因素，關(guān)于圓柱狀結(jié)構(gòu)體渦激振動(dòng)機(jī)理的研究正逐步趨于完善。現(xiàn)階段提出的大量渦激振動(dòng)預(yù)報(bào)模型主要針對(duì)圓柱體的單自由度橫向振動(dòng)，而結(jié)構(gòu)在順流向上的振動(dòng)往往被限制或者忽略。最近的研究表明，對(duì)于海洋立管這種低質(zhì)量比結(jié)構(gòu)，渦激振動(dòng)導(dǎo)致順流向的疲勞損傷與橫向上的疲勞損傷在同一量級(jí)。因此，正確地認(rèn)識(shí)和描述順流向和橫向的雙向渦激振動(dòng)特性，全面地預(yù)報(bào)和評(píng)估立管結(jié)構(gòu)的綜合疲勞壽命，對(duì)保證海洋工程結(jié)構(gòu)物的經(jīng)濟(jì)效益和服役期的安全運(yùn)行有著重要的意義。 本文針對(duì)結(jié)構(gòu)的雙向渦激振動(dòng)問(wèn)題開展了一系列研究，建立了一種具有工程實(shí)際意義的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)預(yù)報(bào)剛性圓柱體和細(xì)長(zhǎng)柔性立管的順流向和橫向渦激振動(dòng)響應(yīng)。論文的主要內(nèi)容和成果包括： (1)系統(tǒng)地歸納和評(píng)述了圓柱體雙向渦激振動(dòng)的研究現(xiàn)狀和成果，闡釋了渦激振動(dòng)相關(guān)的若干物理概念和基本物理參數(shù)，總結(jié)了現(xiàn)有的渦激振動(dòng)半經(jīng)驗(yàn)性模型。 (2)基于二維離散點(diǎn)渦方法推導(dǎo)出流體對(duì)剛性圓柱體在順流向和橫向的脈動(dòng)水動(dòng)力，重新定義了傳統(tǒng)尾流振子控制變量的含義，采用范德波爾方程描述近壁點(diǎn)渦的非線性特征，進(jìn)而建立了一種能夠預(yù)報(bào)雙自由度渦激振動(dòng)響應(yīng)的渦強(qiáng)尾流振子模型，并給出了模型中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的確定方法。利用本文模型預(yù)報(bào)了剛性圓柱體的雙向渦激振動(dòng)響應(yīng)，得到的橫向鎖定、順流向初始響應(yīng)峰值、運(yùn)動(dòng)相位角以及“8”字形運(yùn)動(dòng)軌跡等的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，同時(shí)討論了質(zhì)量比和阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)順流向和橫向振幅響應(yīng)的影響。 (3)針對(duì)水平放置的外徑5cm，長(zhǎng)120cm的剛性圓柱體開展了順流向和橫向在不同頻率比條件下的雙自由度渦激振動(dòng)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)頻率比可能對(duì)結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)頻率比在1.0附近時(shí)，圓柱的渦激振動(dòng)特性與等頻率比雙自由度圓柱的結(jié)果沒(méi)有明顯不同，但隨著頻率比的增加順流向和橫向振幅以及兩者之間的相位差發(fā)生了顯著改變。利用渦強(qiáng)尾流振子模型預(yù)報(bào)了不同頻率比的圓柱體渦激振動(dòng)響應(yīng)，分析了頻率比和質(zhì)量比對(duì)響應(yīng)振幅和運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。 (4)使用切片法建立了可以預(yù)報(bào)細(xì)長(zhǎng)彈性體雙向渦激振動(dòng)的三維時(shí)域半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。將該模型�?yīng)用到研究在階梯狀來(lái)流作用下的頂部張緊式立管的渦激振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果顯示順流向振幅峰值小于橫向振幅峰值，但是順流向激活模態(tài)的階數(shù)大約為橫向振動(dòng)的2倍。兩個(gè)方向上的振動(dòng)中均存在駐波和行波，當(dāng)順流向振動(dòng)的模態(tài)較高時(shí)，處于靜水中的立管上半段表現(xiàn)為駐波振動(dòng)狀態(tài)，截面的運(yùn)動(dòng)軌跡沿管變化較大，而處于均勻流的作用下的立管下半段將以行波振動(dòng)為主，截面的運(yùn)動(dòng)軌跡更趨于均勻，模型預(yù)報(bào)的振動(dòng)特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。 (5)利用三維渦強(qiáng)尾流振子模型分析了深水鋼懸鏈立管的雙向渦激振動(dòng)響應(yīng)。在自由剪切流的作用下，立管各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可能不會(huì)形成穩(wěn)定的“8”字形，響應(yīng)振幅和相位角隨時(shí)間改變。順流向的振動(dòng)模態(tài)顯著高于橫向的振動(dòng)模態(tài)，除靠近觸地點(diǎn)立管段處于駐波振動(dòng)，立管大部分中間段的行波效應(yīng)明顯。由于順流向具有高頻高模態(tài)的振動(dòng)特性，該方向的渦激振動(dòng)疲勞損傷與橫向疲勞損傷在同一量級(jí)，且沿管的分布不同，因此考慮順流向的影響將益于全面地評(píng)估立管的渦激振動(dòng)疲勞損傷。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P756.2
【圖文】：

[4]。在結(jié)構(gòu)下游，通常會(huì)形成交替脫落的漩渦，即經(jīng)典的“卡門渦街”，如圖1.1所示，該漩渦主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：穩(wěn)定、非對(duì)稱性、旋轉(zhuǎn)方向相反并隨主流向下游運(yùn)動(dòng)。圖1.1 邊界層與卡門渦街Fig 1.1 The boundary layer and Karman vortex street渦激振動(dòng)具有很強(qiáng)的非線性特征。圓柱體共振時(shí)，漩渦瀉放引起的載荷頻率無(wú)需鎖定于圓柱體在水中的基本固有頻率，而可鎖定于固有頻率的次諧波和超諧波分量。隨著振動(dòng)幅值的增大，漩渦瀉放強(qiáng)度增加，漩渦結(jié)構(gòu)的改變將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)更多的漩渦，漩渦的總環(huán)量隨振幅的增大而增加。圓柱體最大渦激振動(dòng)幅值由系統(tǒng)所能支撐的漩渦結(jié)構(gòu)所決定，而漩渦結(jié)構(gòu)與振動(dòng)自由度、頻率比、阻尼比、質(zhì)量比和雷諾數(shù)等密切相關(guān)[5]。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)順流向渦激振動(dòng)可能影響渦激振動(dòng)特性，特別是在低質(zhì)量比條件下

圖 2.1 漩渦泄放現(xiàn)象的漩渦發(fā)展階段Fig 2.1 The whirlpool stage of development whirlpool discharge phenomenon.特勞哈爾數(shù)在無(wú)量綱分析中，斯特勞哈爾數(shù)(Strouhal number)被用來(lái)描述振蕩流機(jī)制。1878特勞哈爾在研究風(fēng)洞中流體通過(guò)鋼絲繩的漩渦脫落的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在直徑固定的情，漩渦的脫落頻率隨著來(lái)流速度的增加而提高，其關(guān)系中存在一個(gè)恒定常數(shù)，可為sttf DSU=中，U 為來(lái)流速度， D 為圓柱體外徑， fst為靜止柱體的瀉渦頻率。圓柱體的繞流問(wèn)題中，斯特勞哈爾數(shù)(St)可以用來(lái)描述流體邊界層分離的不穩(wěn)定給出漩渦脫落與來(lái)流速度的關(guān)系。該參數(shù)與雷諾數(shù)有潛在的聯(lián)系，圖 2.2 給出了哈爾數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系。在亞臨界區(qū)(300<Re<1.5×105) 內(nèi)，斯特勞哈爾數(shù)約 =0.21

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2742449