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考虑平面旋转和顺流向振动的海洋立管涡激振动数值模拟

王微微  
【摘要】:在众多大型巨资打造的工程由于涡激振动致毁后,工业界和学术界开始致力于涡激振动机理的研究,涡激振动问题一时间成了学术界和工业界的研究热点。在很多工程领域当中,我们都可以发现涡激振动的踪影。如桥梁、发动机、大厦、电线、海洋立管、海底输油管线等。 涡激振动的研究历史至今已有数十年之久,虽累积了众多有价值的研究成果,但学术界仍未对涡激振动的机理有全面透彻的解释。其原因为涡激振动是一个具有多自由度的涉及流体和结构高度耦合的强烈非线性的振动现象。 本文作为国家自然科学基金项目“考虑顺流向振动和尾流三维效应的海洋立管涡激振动机理研究”(项目编号50809047)的组成部分,旨在全面分析顺流向振动以及平面内旋转对圆柱涡激振动响应的影响。 本文应用有限元软件ADINA对低雷诺数下考虑平面内旋转和顺流向振动二维圆柱的涡激振动进行了数值模拟。再现了随着折合速度的增加,圆柱振动从非锁定状态,到锁定状态(圆柱与由尾涡脱落引起的流体力共振,圆柱振幅增大),再脱离锁定状态的过程。对比研究了顺流向振动和平面内旋转对圆柱涡激振动的影响。研究发现:考虑顺流向振动时,横流向无量纲振幅略有增加,这与传统的观点相同。然而同时考虑平面内旋转和顺流向振动时,横流向无量纲振幅显著增加。例如,当质量比为2时,仅考虑横流向振动的最大涡激振动幅度为圆柱直径的0.58倍,而在同时考虑横流向振动、顺流向振动以及平面内旋转时,圆柱涡激振动的横流向最大振幅可达1.23倍圆柱直径,此现象在以往的研究中皆未见报道。同时发现,考虑平面内旋转之后,锁定区间加宽,且随质量比的降低,这种趋势更加明显。 经过模拟分析,本文得到结论,对于低质量比的圆柱涡激振动问题,平面内旋转是一个很重要的影响因素,在研究中不容忽视。


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