本文關(guān)鍵詞： 渦激振動(dòng) 流固耦合 粗糙度 鎖定 數(shù)值模擬　出處：《西南石油大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：海洋工程中很多柔性圓柱形的結(jié)構(gòu)物在海流的作用下會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)(Vortex Induced Vibration,VIV)。渦激振動(dòng)會(huì)進(jìn)一步引起結(jié)構(gòu)的疲勞甚至破壞,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。使用一段時(shí)間后,海洋圓柱形結(jié)構(gòu)物表面存在的粗糙度會(huì)改變原有結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)響應(yīng)特性。因此粗糙表面結(jié)構(gòu)物的渦激振動(dòng)響應(yīng)特性研究對準(zhǔn)確預(yù)報(bào)渦激振動(dòng)具有重要的理論和實(shí)際意義。本文主要內(nèi)容包括:(1)通過在Fluent軟件中嵌入求解圓柱體動(dòng)力學(xué)方程的UDF(User-Defined Function)模塊和動(dòng)網(wǎng)格的方法,實(shí)現(xiàn)了光滑圓柱體的雙自由度流固耦合振動(dòng)數(shù)值模擬。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比后,證實(shí)了此數(shù)值模擬方法的可靠性。通過應(yīng)用等效砂粒粗糙度模型,模擬了四種不同數(shù)量級(jí)粗糙度的圓柱體渦激振動(dòng)。詳細(xì)分析和總結(jié)了光滑圓柱體和粗糙圓柱體的升阻力系數(shù)、無因次位移響應(yīng)、漩渦脫落頻率、運(yùn)動(dòng)軌跡、位移與渦激力之間的相位角和漩渦泄放模式等的變化規(guī)律;歸納了"鎖定"和不同區(qū)間的判斷和劃分依據(jù);深入探究了漩渦泄放模式發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因。綜合考慮圓柱體振動(dòng)軌跡、頻率比、鎖定區(qū)間等因素后,將折合速度區(qū)間劃分為初始分支、上分支、下分支和解鎖區(qū)間,以方便進(jìn)一步的研究分析。(2)通過對粗糙圓柱體的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn):小粗糙度不會(huì)影響圓柱體的渦激振動(dòng)響應(yīng)特性。隨著粗糙度的增加,圓柱體CF方向的最大振動(dòng)位移逐漸由1.08D減小至0.78D;鎖定區(qū)域?qū)挾扔?.5逐漸減小至5.0。在鎖定區(qū)域內(nèi),圓柱振動(dòng)軌跡呈規(guī)則的"8"字型,漩渦泄放頻率一直保持在結(jié)構(gòu)固有頻率附近。在初始分支、上分支和解鎖區(qū)間內(nèi),漩渦的泄放形式都為2S模式;下分支的漩渦泄放形式都為2P模式。(3)當(dāng)圓柱的粗糙度較小(光滑、Ks/D=1×10-4、Ks/D=5×10-3)時(shí),在上分支區(qū)間,CF方向振動(dòng)位移隨折合速度的的增加逐漸增至最大值;當(dāng)Vr從上分支進(jìn)入低分支時(shí),升力中占主導(dǎo)的渦激力系數(shù)和位移響應(yīng)之間的相位差發(fā)生了 180°的轉(zhuǎn)變;振動(dòng)響應(yīng)幅值出現(xiàn)明顯的跳躍下降現(xiàn)象,而振動(dòng)響應(yīng)頻率則由0.9fn直接跳躍至1.25fn左右;以上變化導(dǎo)致漩渦泄放形式從2S模式轉(zhuǎn)變至2P模式。當(dāng)圓柱的粗糙度較大(Ks/D=1×10-2,Ks/D=2×10-2)時(shí),上分支減小為一個(gè)折合速度點(diǎn),CF方向的位移最大點(diǎn)出現(xiàn)在了下分支區(qū)間;在向下分支轉(zhuǎn)變的過程中,圓柱CF方向振幅增大,頻率比由0.9fn左右突變至1.1fn左右,渦激力系數(shù)和橫向位移的相位差也從0°左右增至近180°;在下分支區(qū)間內(nèi)漩渦泄放形式表現(xiàn)為兩種不同的2P模式,這主要是由于斯托勞哈爾數(shù)的減小導(dǎo)致的。
[Abstract]:Many flexible cylindrical structures in ocean engineering can generate vortex induced vibration ( VIV ) under the action of ocean currents . In this paper , the numerical simulation of two - degree - of - freedom flow - solid - coupling vibration of a smooth cylinder is studied by means of the numerical simulation of rough cylinder . ( 3 ) When the roughness of the cylinder is small ( smooth , Ks / D = 1 脳 10 - 4 , Ks / D = 5 脳 10 - 3 ) , the vibration displacement in the direction of CF increases with the increase of the folding speed to the maximum value .

【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P75;TE95

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