隨著深海能源的開發(fā)和海洋工程的發(fā)展,海洋管道和立管的渦激振動問題受到了國內(nèi)外的關注。對渦激振動的研究主要有三個方向,即實驗、數(shù)值模擬和半經(jīng)驗數(shù)學模型。由于實驗的費用較高,數(shù)值模擬對計算機資源的需求量大、效率低都很難滿足工程需要,因此渦激振動的半經(jīng)驗模型受到了廣泛關注。 本文針對渦激振動的半經(jīng)驗數(shù)學模型,分別基于動力學普遍方程(達朗貝爾-拉格朗日原理)和哈密頓原理建立了渦激振動的功率方程模型和尾流振子模型。 渦激振動的功率模型不需要任何假設,只借助連續(xù)介質(zhì)力學的一般性質(zhì)就可以推導出形式簡潔的運動方程。但是,該模型需要結(jié)構(gòu)附近的流場信息,仍屬半經(jīng)驗模型。本文基于已有的實驗數(shù)據(jù),根據(jù)CFD數(shù)值模擬提供的流場信息對自由振動圓柱的功率方程進行了求解,同時對其可靠性進行了檢驗和討論。 渦激振動的尾流振子模型在推導過程中使用了哈密頓原理,其該方法適用性強,易于拓展。尾流振子模型需要給出結(jié)構(gòu)所受流體水動力和流體振子的非線性阻尼的數(shù)學表達形式。本文通過水動力參數(shù)和點渦模型分別給出了兩種結(jié)構(gòu)所受流體的水動力表達式,同時根據(jù)假設給出了流體振子阻尼的非線性表達式。最終,建立了一種新的尾流振子模型并進行了數(shù)值求解,然后與其它尾流振子模型進行了比較。在此基礎上,本文對尾流振子模型中流體振子方程進行了非線性穩(wěn)定性分析。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：P756.2
【部分圖文】：

哈爾濱l一程人學碩十學位淪文等人開發(fā)的。sHEAR7預測橫流向的渦激振動響應。它可以模種約束條件。程序基于能量平衡原理預測結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)響應，算結(jié)構(gòu)總的響應。SHEAR7可以根據(jù)選取的分析模型類型以及模的模態(tài)參數(shù)、固有頻率、模態(tài)振型以及模態(tài)曲率;還可以通過有的模態(tài)參數(shù)。SHEAR7的結(jié)果輸出包括每一節(jié)點處的均方根位移傷、局部曳力系數(shù)、張力以及流速口7一側(cè)。供了兩種升力系數(shù)模型:保守模型與非保守模型。保守模型對于樣的升力系數(shù)振幅曲線;而非保守模型在不同約化速度處采用不。非保守模型基于Gopalkrishna的實驗數(shù)據(jù)。阻尼模型包括高流速區(qū)阻尼與低流速區(qū)阻尼兩種形式。高流速區(qū)區(qū)的上部與下部區(qū)域。SHEAR7根據(jù)指定的約化速度雙帶寬判斷尼區(qū)。

纜繩和熱交換器的摧毀性作用，在工程實踐中有著很重要的意義。在工程實際中產(chǎn)生渦激振動的例子很多。1940年，匠心獨具的紐約塔科瑪海峽懸索橋，由于氣流引起的渦激振動而破壞[#5〕，如圖2.1所示。1979年，在英吉利海峽，一個自升式鉆井平臺的鉆井立管發(fā)生渦激振動而被迫停止生產(chǎn)。2001年三月，巴西一座石油鉆井平臺由于發(fā)生渦激振動而沉沒，如圖2.2所示。圖2.1塔科瑪海峽懸索橋圖2.2正在傾覆的鉆井平臺

要想全面地了解結(jié)構(gòu)在其旋渦尾流作用下的振動機理以及對鎖定區(qū)的振動情況進行準確的預測是十分困難的。這是因為流體的分離現(xiàn)象以及由此而產(chǎn)生的尾流旋渦及其泄放過程是非常復雜的，對其機理至今也沒有全面而系統(tǒng)的研究成果。觀測及實驗結(jié)果已經(jīng)表明，當流體接近于一個非流線型物體的前緣時，因受阻滯，流體質(zhì)點的壓力就從自由流動壓力升高到停滯壓力。同時靠近前緣流體的高壓促使正在形成中的附面層在圓柱體的兩側(cè)逐漸發(fā)展。但是在高雷諾數(shù)情況下，由壓力產(chǎn)生的力不足以把附面層推到包圍住非流線型圓柱體背面，而是在柱體斷面寬度最大點附近產(chǎn)生分離點。分離點即為沿柱體表面速度由正到負的轉(zhuǎn)變點或零速度點，在分離點后流體沿柱體表面將發(fā)生倒流，如圖2.3和圖2.4。邊界層在分離點脫離柱體表面，并形成向下游延展的自由剪切層。兩側(cè)的剪切層之間為尾流區(qū)。在剪切層范圍內(nèi)，由于接近自由流區(qū)的外側(cè)部分流速大于內(nèi)側(cè)部分，流體便有發(fā)生旋轉(zhuǎn)并分散成若干個旋渦的趨勢。圓柱體后面的旋渦系列被稱為“渦街”。成型的旋渦流動和圓柱體運動的相互作用成為旋渦誘發(fā)紡構(gòu)振動的根源晰，n7]。
【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 鄭治國,孫大成,劉憲亮;用濕模態(tài)法進行流固耦合分析時一個問題的探討[J];華北水利水電學院學報;1998年02期

本文編號：2840830