柱体涡激运动研究概述_渠基顺

摘要：基于国内外对柱体涡激运动的研究成果，主要对柱体涡激运动的研究现状进行了概括与总结，系统阐述了国内外对涡激运动的实验研究与ＣＦＤ数值模拟的研究现状，并对单柱体与多柱体涡激运动的研究成果进行分类，指出ＣＦＤ数值模拟的局限性与目前研究的不足以及未来的研究方向，提出了多柱体涡激运动研究的必要性。

关键词：涡激运动；多柱体；实验研究；数值模拟１研究背景与意义海洋中有着丰富的能源，据最新探测结果表明，海底石油资源储量达１３００亿ｔ。

近年来人们将目光投向了海洋工程领域的深水石油和天然气。

我国有着广阔的海岸线，石油资源十分丰富。

据专家初步估计，南海石油储量在２３０亿到３００亿吨之间，约占我国石油总资源的三分之一，因此南海又被称为第二个波斯湾。

目前石油的产量直接影响着世界经济的发展，所以人类设计和建造各种海洋平台来获取这种“黑色黄金”。

不管海洋石油开采采用何种平台结构形式，这些结构都有着一个共同的特点，即由很多柱体构成。

例如，ＳＰＡＲ平台是单柱体结构，柱体的形状一般为圆柱形；半潜式平台一般有３个或４个立柱，立柱的截面形式一般以圆形和方形为主，立柱以一定的形式排列；张力腿平台的立柱形式和半潜式平台的立柱形式非常类似，其立柱的截面也是以圆形和方形为主，其中以四柱体阵列排布的比较多。

对于海洋平台中的各种柱体结构而言，一个不能忽视的问题就是涡激运动。

海洋工程中的平台在强流作用下容易发生涡激运动这一特性决定了在设计和研究过程中必须对相关方面进行更加周密的考虑。

对于海洋结构物来说，涡激运动会增加锚链和立管的疲劳破坏，缩短总体疲劳寿命，增加结构物的总阻尼。

如果不考虑涡激运动现象的话，疲劳分析及锚链最大张力的结果都将偏小，会导致过低估计锚链和立管的尺度［１］。

２柱体涡激运动２．１涡激运动由于流体有一定的粘性，当一定速度的来流流经柱状结构物时会在其两侧产生交替的漩涡。

柱体后面的漩涡泄放时，会产生横向和流向的脉动压力。

若柱体的支撑方式是弹性支撑，柱体所受到的横向和流向脉动压力则促使柱体进行周期性的往复运动。

流向脉动力使柱体产生纵向的运动，即纵荡（ｓｕｒｇｅ）。

横向脉动力使柱体产生横向的周期往复运动，即横荡（ｓｗａｙ）。

由于实际过程中横荡运动显著，因此研究人员把研究重点放在了柱体的横荡运动上。

在海洋工程领域中，可以根据柱体结构物的尺度和直径长度比，把周期运动分为涡激振动（ＶｏｒｔｅｘＩｎｄｕｃｅｄＶｉｂｒａｔｉｏｎ）和涡激运动（ＶｏｒｔｅｘＩｎ－ｄｕｃｅｄＭｏｔｉｏｎ）［２］。

柱体涡激运动研究一般分为两大类，即自激运动和受迫运动。

自激运动指的是由尾涡脱落所产生的周期性的脉动力从系统内部驱动的柱体运动。

受迫运动指的是以特定的振幅、确切的振动频率从系统外部驱动的柱体运动。

前者的研究重点是一定范围的折减速度下振幅的变化规律，后者的研究则局限于发生锁定现象区域。

研究涡激运动的最终目标是尽可能利用受迫运动的结果来预报自激运动的动力和运动特性，通过自激运动的结果预报受迫运柱体涡激运动研究概述渠基顺，管义锋（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏，镇江２１２００３）作者简介：渠基顺，硕士研究生，研究方向为海洋结构物动力响应预报及水动力性能。

管义锋，教授，研究方向为船舶与海洋结构物的设计制造。

１２动的动力特性［３］。

２．２柱体涡激运动的国内外研究现状柱体涡激运动问题引起了工程界和学术界广泛关注。

涡激运动是一个高度专业化的课题，它涉及诸多学科，如流体力学、振动学、计算流体力学、结构力学和统计学等。

涡激运动存在于很多工程领域，如桥梁、飞行器控制面、传输线等水动力学和空气动力学结构物等，但在海洋工程领域中更明显，例如ＳＰＡＲ平台柱体、张力腿平台柱体、半潜式平台柱体和导管架平台等的涡激运动就相当明显。

涡激运动和涡激振动的机理一样，对于细长杆件或管会产生涡激振动，而相对于非细长杆件则会产生涡激运动。

因此，涡激运动的研究可以参考涡激振动的研究成果。

对涡激运动的研究和预报一般有两种主要方法：一是ＣＦＤ数值模拟；二是模型试验。

对柱体或海洋结构物涡激振动或涡激运动本质描述、发生的判断以及特性预报若遇到困难时可以参考综述性文章［４］以及一些书籍［５－１０］。

尽管已进行了数十年实验和数值模拟，但研究人员仍然不能说对涡激振动或涡激运动有了全面了解。

涡激运动的研究难点在于很难确定流体力，因为它与很多参数有关，这些参数直接或者间接都会影响这个脉动流体力。

所以，目前的研究只是针对几个特定参数进行的研究，对涡激运动的整体还不能完全把握。

２．２．１柱体涡激运动的实验研究早期比较著名的涡激运动的实验是文献［１１］所做的实验。

文中研究了一定来流下圆柱体的横向运动响应，结果表明：质量比达到２４８时，发现横向振幅呈现出初始分支和下端分支，横向振幅的幅值为０．８D（D为圆柱体的直径）。

文献［１２］对文献［１１］的绝大部分实验数据进行了总结，并用一条曲线拟合了涡激运动激发的横向振幅，提出了很有名的SＧ数：SＧ＝２π３Sｔ２m＊ζ（Sｔ为Ｓｔｒｏｕｈａｌ数，反应柱体的涡泄频率；ζ是阻尼比）。

文中的拟合曲线以经验参数为基础，在一定程度上能够反映振幅大小，但是不能很好解释质量比和阻尼比对振幅的影响。

Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ和其实验室成员对低质量比柱体涡激运动特性进行了一系列实验研究［１３－１５］，实验结果表明，质量比的变化将会影响振幅幅值的变化。

当质量比比较小时，横向振幅已不仅仅是初始分支和下端分支，将会多出一个上端分支。

文献［１７］对所做实验的大量数据进行总结，并以此为基础对Ｇｒｉｆｆｉｎ拟合曲线进行了进一步修正，考虑了雷诺数对振幅幅值的影响因素，摒弃了SＧ数而使用质量阻尼比参数α＝（m＊＋１）ζ进行振幅幅值的预报。

Ｇｏｖａｒｄｈａｎ＆Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ修正函数的一大特点就是没有任何假定条件和放大因子，可以很好地体现出振幅幅值随着雷诺数和质量阻尼比变化的情况，为振幅幅值的响应预报提供了参考。

文献［１８］对两向自由度不同质量比的圆柱体进行了涡激运动实验，结果显示当质量阻尼比较小时，流向的运动会促使圆柱体产生更大的横向振幅，幅值达到了１．５D，即表现出了“超上端分支”（ｓｕｐｐｅｒｕｐｐｅｒｂｒａｎｃｈ）。

文献［１９］进行了在质量比接近于１的情况下弹簧支撑的刚性圆柱体两自由度的涡激运动实验，此次实验的质量比虽然比较小，但是质量阻尼参数比较大。

实验结果并没有出现文献［１８］所提出的“超上端分支”，而仅仅出现了初始分支和下端分支，流向的运动并没有影响横向运动的幅值。

国内对柱体涡激运动的模型实验很少，上海交通大学对ＳＰＡＲ平台的涡激运动做了一系列的实验研究。

众所周知，ＳＰＡＲ平台的主体是单柱体结构，因此ＳＰＡＲ平台涡激运动的实验结果对柱体涡激运动的研究有一定的参考价值。

文献［２０］对ＳＰＡＲ平台在剪切流中的涡激运动进行了实验研究。

运动最大幅值发生在约Vｒ＝７时，横向振幅达到０．７５D，并对涡激运动的锁定区域进行了分析。

文献［２１］对均匀流中的ＳＰＡＲ平台涡激运动进行了分析和探讨，结果表明不同的流速和不同的流向角对ＳＰＡＲ平台运动的平衡位置有着不同的影响，为研究ＳＰＡＲ平台的涡激运动奠定了基础。

近年来，多柱体间相互作用下的涡激运动已成为研究的热点，它以单柱体涡激运动的研究为基础。

串列、并列和阵列柱体的涡激运动的实验研究相对来说比较少，一般都是以海洋平台为基础研究整个平台的涡激运动，多立柱平台如张力腿平台和半潜式平台都是典型的例子。

文献［２２］对一座由Ｓｈｅｌｌ及Ｔｅｃｈｎｉｐ公司共同投资的工作于东南亚海域的张力腿平台的涡激运动进行了实验研究，模型缩尺比为１∶７０，流速选取中国南海的特征流速。

实验重点考察了流速、流向和无因次吃水（吃水比立柱特征长度）对涡激运动的影响，给出了六自由度涡激运动响应时历曲线、纵荡及横荡运动轨迹。

文献［２３］研究了不同形状半潜１３式平台对涡激运动的影响。

文中对两浮箱深吃水半潜式平台、四浮箱一般吃水半潜式平台和四浮箱深吃水半潜式平台进行了水池拖曳实验。

结果表明：半潜式平台立柱的激励长度对其涡激运动的影响很大。

当折合速度Vｒ≥１０时，平台结构会发生弹振现象。

文献［２４］通过模型实验的方法研究了流及微幅波对四立柱半潜平台涡激运动的影响，整个实验分３个步骤：仅考虑流时，分为４个流向０°，１５°，３０°，４５°，结果表明流向为３０°与４５°时横向平均振幅走势和幅值基本相似，最大振幅约为０．４３D，锁定区间为５≤Vｒ≤７；１５°流向时，最大振幅约为０．２４D；０°流向时，平均振幅随约化速度线性增加；然后考虑微幅波和流的联合作用，结果表明微幅波仅延迟了涡激运动的发生，提高了涡激运动的折合速度，对涡激运动的幅值基本无影响；最后对半潜平台的附属结构物、系泊系统及立管的阻尼对涡激运动的影响进行了研究。

２．２．２柱体涡激运动ＣＦＤ模拟柱体涡激运动数值模拟方法是通过数值迭代求解结构动力学方程和运动控制方程，从流场中计算柱体在流体作用下的脉动力，代入运动控制方程得到结构物的动态响应，更新流场各参数，然后获得流体脉动力，以此实现循环。

流场数值模拟的一大优势在于它能很好地获得流场信息，这样可以很好地研究流体的流动分离、漩涡脱落和尾流特性。

除此之外，流场数值模拟能够很好地描述结构和流体的相互作用，表现出系统的运动特性。

因此，ＣＦＤ数值模拟能够对涡激运动的现象和本质有着更好的体现。

但是海洋结构物的尺度比非常大，目前的计算水平还不能实现在整个流域内对海洋结构物进行耦合时域模拟。

按照ＣＦＤ模型对湍流采取的不同模拟方式，可将现存模型分为４大类：Ｒｅｙｎｏｌｄｓ平均方法（ＲｅｙｎｏｌｄｓＡｖｅｒａｇｅＮａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ，ＲＡＮＳ）、离散涡方法（ＤｉｓｃｒｅｔｅＶｏｒｔｅｘＭｅｔｈｏｄ，ＤＶＭ）、直接数值模拟方法（ＤｉｒｅｃｔＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＤＮＳ）和大涡模拟方法（ＬａｒｇｅＥｄｄｙＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＬＥＳ），目前在海洋工程领域比较流行的是ＲＡＮＳ方法。

涡激运动的数值模拟研究是在圆柱尾流模拟的基础上发展起来的。

文献［２５］采用涡量－流函数法对雷诺数为１００的二维圆柱绕流涡激运动进行了数值计算，并研究了在频率“锁定”范围内，流向和横向耦合振动对拖曳力和升力的影响。

文献［２６］对雷诺数下方柱和圆柱涡致振动进行了数值模拟，采用动网格方法，N－S方程则采用时步分裂技术首先求出中间速度场，用多重网格技术求解泊松方程得到压力场，最后根据压力场对中间速度场进行修正，计算柱体和流体的相互耦合作用，对数值模拟出现的“锁定”和“拍”现象进行了分析。

文献［２７］考察了在均匀来流下圆柱受迫振动与周围流场的能量转移，分析了低质量－阻尼因子下圆柱的涡激运动特性，并分析了响应振幅的决定参数，附加质量对锁定范围和频率的影响。