涡激

在处理涡激振动问题时，把流体和固体弹性系统作为一个统一的动 力系统加以考虑，并找到两者的耦合条件，是解决这个问题的重要 关键。在涡激振动过程中，流体的动压力是一种作用于弹性系统的 外加载荷，动压力的大小取决于弹性系统振动的位移、速度和加速 度;另一方面，流体动压力的作用又会改变弹性系统振动的位移、速 度和加速度。这种互相作用的物理性质表现为流体对于弹性系统在 惯性、阻尼和弹性诸方面的耦合现象。由惯性耦合产生附连质量， 在有流速场存在的条件下，由阻尼耦合产生附连阻尼，由弹性耦合 产生附连刚度。流体的附连质量、阻尼和刚度取决于流场的流动特 征参量（诸如流速、水深、流量等）、边界条件以及弹性系统的特 性，其关系式相当复杂。用实验或理论方法求出这些附连的量，是 水弹性问题研究中的重要课题。
不 同 的 尾 流 形 式
海 洋 平 台 中 的 涡 激 振 动
实验证明，漩涡的发放频率f可用无量纲参数斯特劳 哈尔数St（Strouhal Number）来表示，表达式为： f=St*V/D St是构件剖面形状与雷诺数Re的函数，其定义式为 St=D/（V*T）。 其中：V为垂直于构件轴线的速度（m/s）； D为圆柱直径或柱体的其他特征长度（m）； 、 T为相关的特征时间（s）
前言
目前深水油气开发常用的平台形式有深水固定式平台 (FP) 、 顺 应 塔 式 平 台 (CT) 、 TLP 平 台 、 SPAR 平 台 、 FPSO 和 SEMI—FPS平台等。不管海洋油田开发采用何种平台方案 ， 都需要使用海洋立管， 它是海洋基础结构的关键组成部分 。 海洋立管是海面与海底井口间的主要连接件，作为海面与海 底的 一 种联系通道，既可用于浮式海洋平台，又可用于固 定式平台及钻探船舶。海洋立管具有多种可能的 结构，如 顶端张紧的立管 (TTR)、 自由悬挂 的钢悬链线立管 (SCR)、 混合立管 (HYBRID SER) 等。
立管所承受的海洋环境荷载主要有风、浪、流、冰和地震荷载等，其中波浪和海流荷 载是最重要 的海洋荷载 ，受水流作用的工程结构都有可能产生涡激振动 ，任何具有 足够陡峭后缘 的工程结构在一 定范 围的雷诺数 内都会脱落旋涡，使结构在与水流垂 直 的方 向发生周期性的振动。因此 ，当波浪和 海流流经立管时，在一定的流速条件 下 ，可在立管两侧交替地形成强烈的旋涡 ，旋涡 脱落会对立管产生一个周期性的可 变力 ，使得立管在与流向垂直方向 上发生横 向振动；结构的振动反过来又对流场产 生影响，使旋涡增强， 阻力增加，这种涡激振动是小尺度部件流固耦合现象的具体体 现。除 了横 向振动外，流体阻力可使立管沿流动方向发生纵向振动，不过在 一 般情 况下 ，纵向振动 比横 向振动幅值约小一个数量级 ，频率约是其 两倍 。当旋涡脱落 频率与立管固有频率接近时，将引起立管的强烈振 动，旋涡的脱落过程将被结构的振 动所控制，从而使旋涡的脱离和管 道的振动具有相同的频率 ，发生“锁 定”(1ock— in)现象。lock—in 现象产生并不会马上对立管产生破坏，但会加剧立管的疲劳破坏 ， 涡 旋脱落现象在管道工程结构 中诱发的大振幅振动 ，在工程实践 中有着 很重要的意 义。
工程中的重要意义
涡 涡激振动概述 激 研究方法 振 动 利用及防治
涡 激 振 动 的 流 体 概 述
从流体的角度来分析，任何非流 线型物体，在一定的恒定流速下， 都会在物体两侧交替地产生脱离 结构物表面的旋涡。
涡激振动概述
从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定 流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋 涡。对于海洋工程上普遍采用的圆柱形断面结构物，这种 交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性 变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性 管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体 ( 管 体) 的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会 改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体一结构物相互作用 的问题被称作“涡激振动”。
实验方法
研究方 法
数值方法
半经Baidu Nhomakorabea公式
实验方法
• 泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场耦合，相 互作用的复杂过程。需要具有一套完整物理实验方 案和精密的实验仪器可以把所有的涡激振动相关机 型同步观测，以测定其联合效应。物理实验往往很 难同时提供流体的瞬时变化数据。
• 振动问题。对于数值模拟方法，按照所使用湍流模型的不同， 可以将涡激振动的数值模拟方法分为:直接数值模拟方法，雷 诺平均N-S方程法，大涡模拟法，涡元法，还有基于上述各种 方法的综合。按照模拟方式的不同又可以分为基于弹性支撑 的刚体二维模拟，基于弹性体二维涡元模拟和三维结构插值 积分的离散涡元法模拟，以及对于弹性体完全使用三维模型 的全流域模拟等等
涡激
利用 防治
利用
正圆柱体的涡激振动广 泛出现于热交换器装置、 风工程和海洋工程等领 域,也被一些学者视为今 后可再生能源的一种可 能途径。当漩涡脱落频 率与结构的固有频率接 近时,可发生锁频效应,即 共振响应。 具体利用振动，压电效 应来发电
抑制涡激振动
谢谢
数值方法
半经验公 式
• 半经验公式主要有尾流阵子，单自由度模型， 流体力组分模型。
流固耦合数值计算软件 Ansys+CFX Fluent+Abaqus Adina COMSOL Multiphysics(FEMLAB)
共振现象
假若构件的自振频率与漩涡的发放频率相接近就 会使结构发生共振破坏，这种现象容易发生在高 耸结构物上，因此这种涡激振动是极其有害的， 需采取措施阻止它的发生。一般可采取两方面措 施：一是对于构件进行刚性加固，或者增大尺度 提高其刚度，改变构件的自振频率，避免它与漩 涡发放频率相接近；二是想办法改变构件后的尾 流场，破坏尾流场漩涡的规律性泄放，如在结构 上安装螺旋线立板和改变结构截面形状等。