【摘要】：渦激振動是導(dǎo)致深水立管疲勞損傷的一個重要因素，關(guān)于圓柱狀結(jié)構(gòu)體渦激振動機理的研究正逐步趨于完善�，F(xiàn)階段提出的大量渦激振動預(yù)報模型主要針對圓柱體的單自由度橫向振動，而結(jié)構(gòu)在順流向上的振動往往被限制或者忽略。最近的研究表明，對于海洋立管這種低質(zhì)量比結(jié)構(gòu)，渦激振動導(dǎo)致順流向的疲勞損傷與橫向上的疲勞損傷在同一量級。因此，正確地認識和描述順流向和橫向的雙向渦激振動特性，全面地預(yù)報和評估立管結(jié)構(gòu)的綜合疲勞壽命，對保證海洋工程結(jié)構(gòu)物的經(jīng)濟效益和服役期的安全運行有著重要的意義。 本文針對結(jié)構(gòu)的雙向渦激振動問題開展了一系列研究，建立了一種具有工程實際意義的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)報剛性圓柱體和細長柔性立管的順流向和橫向渦激振動響應(yīng)。論文的主要內(nèi)容和成果包括： (1)系統(tǒng)地歸納和評述了圓柱體雙向渦激振動的研究現(xiàn)狀和成果，闡釋了渦激振動相關(guān)的若干物理概念和基本物理參數(shù)，總結(jié)了現(xiàn)有的渦激振動半經(jīng)驗性模型。 (2)基于二維離散點渦方法推導(dǎo)出流體對剛性圓柱體在順流向和橫向的脈動水動力，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渦的非線性特征，進而建立了一種能夠預(yù)報雙自由度渦激振動響應(yīng)的渦強尾流振子模型，并給出了模型中經(jīng)驗參數(shù)的確定方法。利用本文模型預(yù)報了剛性圓柱體的雙向渦激振動響應(yīng)，得到的橫向鎖定、順流向初始響應(yīng)峰值、運動相位角以及“8”字形運動軌跡等的變化規(guī)律與實驗結(jié)果吻合，同時討論了質(zhì)量比和阻尼比對結(jié)構(gòu)順流向和橫向振幅響應(yīng)的影響。 (3)針對水平放置的外徑5cm，長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模型試驗。試驗中發(fā)現(xiàn)頻率比可能對結(jié)構(gòu)的渦激振動特性產(chǎn)生顯著影響。當頻率比在1.0附近時，圓柱的渦激振動特性與等頻率比雙自由度圓柱的結(jié)果沒有明顯不同，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。利用渦強尾流振子模型預(yù)報了不同頻率比的圓柱體渦激振動響應(yīng)，分析了頻率比和質(zhì)量比對響應(yīng)振幅和運動軌跡的影響。 (4)使用切片法建立了可以預(yù)報細長彈性體雙向渦激振動的三維時域半經(jīng)驗?zāi)Ｐ�。將該模型�?yīng)用到研究在階梯狀來流作用下的頂部張緊式立管的渦激振動響應(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)大約為橫向振動的2倍。兩個方向上的振動中均存在駐波和行波，當順流向振動的模態(tài)較高時，處于靜水中的立管上半段表現(xiàn)為駐波振動狀態(tài)，截面的運動軌跡沿管變化較大，而處于均勻流的作用下的立管下半段將以行波振動為主，截面的運動軌跡更趨于均勻，模型預(yù)報的振動特性與實驗結(jié)果吻合。 (5)利用三維渦強尾流振子模型分析了深水鋼懸鏈立管的雙向渦激振動響應(yīng)。在自由剪切流的作用下，立管各節(jié)點的運動軌跡可能不會形成穩(wěn)定的“8”字形，響應(yīng)振幅和相位角隨時間改變。順流向的振動模態(tài)顯著高于橫向的振動模態(tài)，除靠近觸地點立管段處于駐波振動，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)的振動特性，該方向的渦激振動疲勞損傷與橫向疲勞損傷在同一量級，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估立管的渦激振動疲勞損傷。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P756.2
【圖文】：

[4]。在結(jié)構(gòu)下游，通常會形成交替脫落的漩渦，即經(jīng)典的“卡門渦街”，如圖1.1所示，該漩渦主要特點表現(xiàn)為：穩(wěn)定、非對稱性、旋轉(zhuǎn)方向相反并隨主流向下游運動。圖1.1 邊界層與卡門渦街Fig 1.1 The boundary layer and Karman vortex street渦激振動具有很強的非線性特征。圓柱體共振時，漩渦瀉放引起的載荷頻率無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。隨著振動幅值的增大，漩渦瀉放強度增加，漩渦結(jié)構(gòu)的改變將導(dǎo)致一個周期內(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)順流向渦激振動可能影響渦激振動特性，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)在無量綱分析中，斯特勞哈爾數(shù)(Strouhal number)被用來描述振蕩流機制。1878特勞哈爾在研究風洞中流體通過鋼絲繩的漩渦脫落的試驗中發(fā)現(xiàn)在直徑固定的情，漩渦的脫落頻率隨著來流速度的增加而提高，其關(guān)系中存在一個恒定常數(shù)，可為sttf DSU=中，U 為來流速度， D 為圓柱體外徑， fst為靜止柱體的瀉渦頻率。圓柱體的繞流問題中，斯特勞哈爾數(shù)(St)可以用來描述流體邊界層分離的不穩(wěn)定給出漩渦脫落與來流速度的關(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】

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本文編號：2742449