翼型尾流干涉下的柱体结构涡振特性研究

翼型尾流干涉下柱体结构涡激振动(vortex induced vibration,VIV)特性的准确预测是翼型-柱体耦合结构振动控制研究的关键。为了研究翼型位置参数对柱体结构涡激振动特性的影响,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)、结构动力学以及嵌套网格技术建立翼型-双自由度柱体耦合结构的流固耦合动力学仿真模型。通过与国外文献试验数据对比,验证了该研究建立的数值模型的准确性。计算结果表明,在较小的约化速度下翼型尾流干涉的柱体横向振幅和频率比微小于单柱体,约化速度较大时会大于单柱体。不同的翼型与柱体之间的距离会使柱体横向振幅和频率比发生变化,在距离为3D时取得最大横向振幅。不同攻角的翼型也对柱体的影响不同,柱体的横向振幅和频率比在攻角为100°时取得最小值。

尾流干涉下圆柱流致振动的俘能实验设计

为了证实海洋圆柱结构流致振动中蕴含的能量利用潜能,提出了直立式流致振动俘能系统以期有效提升能量俘获效率,并设计了相关实验。确立了振动圆柱不同的布局形式,在随机波流耦合水槽中对不同布局下圆柱的尾流干涉效应展开了研究,并结合流致振动实验中的圆柱尾流激振响应现象设计了直立式流致振动俘能实验。相关的实验操作与分析强化了学生对基础理论知识的理解,同时提升了学生的学科融合视野与创新实践能力。

尾流干涉及边界效应对两圆柱体涡激振动影响

基于CFD数值模拟研究不同排列方式的两圆柱体涡激振动问题,采用ANSYS/CFX计算刚性圆柱体和弹性圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力及上下游圆柱体和横流向相邻圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力。基于数值分析结果分析流固耦合效应对圆柱体涡激振动的影响及尾流干涉现象对尾流圆柱体和边界效应对横向相邻圆柱体涡激振动的影响。研究表明,尾流干涉及流固耦合作用将增大尾流圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力;边界效应和流固耦合对垂直来流的两圆柱体涡激升力和脉动拖曳力有增强作用,并造成两圆柱体涡激升力之间产生的相位差最大为180°。

尾流干涉下考虑流固耦合作用的海洋立管涡激振动的数值模拟

利用Fluent软件,运用动网格技术及用户自定义接口编程,通过求解N-S方程、RNG湍流模型以及结构动力学模型实现流固耦合,对串联间距为4D的等径立管进行数值模拟,分析在尾流干涉下立管的涡激振动。基于数值模拟结果分析:串联间距为4D时上下游立管都有漩涡脱落;下游立管在尾流干涉下,考虑流固耦合时相比固定立管时所受升力增大,立管振动有"失谐",涡激振动到达"锁定"状态以及之后的一段约化速度范围内,升力系数呈现多频现象,且有一个频率总是接近立管固有频率,随着约化速度增大,涡激振动远离"锁定"状态多频现象逐渐减弱,同时升力系数幅值周期性变化,下游立管剧烈振动使其自身尾流区出现"断层"。

尾流干涉下串联圆柱涡激振动数值模拟研究

圆柱涡激振动的研究多数集中在单自由度情况下,涉及到小尺寸圆柱尾流干涉下的研究十分有限。为此,利用Fluent软件中的SST k-ε湍流模型,基于Overset-Mesh方法对流场建模处理,通过雷诺平均法求解黏性N-S方程并运用动网格技术实现流固耦合,针对小尺寸串联双圆柱进行了二维仿真研究。研究结果表明:下游圆柱的“锁定”区间与上游圆柱保持一致,在圆柱间距比L/D=4的条件下,上游圆柱对下游圆柱的尾流干涉作用相对较弱;在约化速度U r=6附近存在一个临界值U r-crit,当U r>U r-crit时,下游圆柱的横流向振幅大于上游圆柱,而当U r<U r-crit时,下游圆柱横流向振幅则要小于上游圆柱;串联圆柱的尾涡脱落模式随U r增大会发生显著变化。研究结果可以为深海油气开发中立管的涡激振动分析提供理论依据。

尾流干涉下立管涡激振动试验研究

为探究立管在不同排列方式下的响应特性随来流速度的变化关系,对比分析了不同工况下流动干涉效应,采用模型试验的方法对刚性立管模型和柔性立管模型的涡激振动问题进行了系统研究。选取不同材质的立管模型模拟实际工程中的柔性立管与刚性立管,采用不同测试原理的采集仪器获取立管模型的振动响应信息,确保试验数据的准确性。研究结果表明:刚性孤立立管在“锁定”区间内横流向振动幅值变大,横流向振动幅值沿管长方向呈现出两端小、中间大的分布特征,在约化速度为12时可观察到2阶振型;在双刚性立管试验中,来流角度对下游刚性立管具有显著的干涉作用,当来流角度α=0°时,下游立管模型的“锁定”区间相比孤立立管存在滞后现象,随着来流角度的不断增大,下游立管所受流动干涉作用逐步减弱;柔性顶张力立管的振动特性与刚性立管相似,悬链线立管由于其构型独特,导致在来流作用下多阶振动模态共存,不同位置处的振动特性差别较大;在柔性串联立管尾流干涉试验中,上游顶张力立管与下游悬链线立管不同位置处水平间距不同,致使下游悬链线立管受上游立管的干涉效应影响存在差异。所得结果可为进一步研究立管的涡激振动提供参考。

尾流干涉下跨接管碰撞概率研究

基于“不允许碰撞”的设计思路,建立了跨接管单元对的碰撞极限状态方程,并结合Blevins尾流干涉模型建立了整体耦合模型。分别采用Gumbel极大值分布和三参数Weibull分布对间距极值序列进行拟合,考虑跨接管外径的随机性,通过最小二乘法和灰色模型-极大似然法以及一次可靠度方法对不同工况下的碰撞概率进行了验证分析。结果表明,两种分布类型和参数估计方法均能对间距极值序列有较好的拟合效果;流速和初始阻力系数的减小、上端初始间距的增大都会导致跨接管碰撞概率的减小。论文所提出的分析流程和方法可为尾流干涉下海洋立管的碰撞概率分析提供参考。

基于测风数据的多风机尾流干涉特性试验研究

针对多风力机尾流干涉下的流场分布复杂问题,采用两台不同类型的地基式激光雷达在风电场设计进行了测风试验。以两台风力机的尾流场分布特性为例,结合测风数据将复杂的尾流干涉流场分类为无尾流、偏尾流以及全尾流共3种典型干涉工况,并对3种工况下的尾流场分布特性进行了量化分析。结果表明:无尾流干涉工况下,尾流相互独立、尾流恢复速率基本一致且尾流区风速分布均近似呈现对称高斯分布。偏尾流和全尾流干涉工况下,下游风力机尾流中心恢复速率出现下降,其中全尾流干涉工况下尾流恢复速率下降最为明显。在部分尾流干涉工况下,尾流区横截面风速分布呈现非对称分布。处于全尾流工况时,尾流分布呈现高斯分布,但尾流边界处风速出现一定程度降低。

深水钻井隔水管-生产立管群干涉振动分析

当波浪、洋流流经钻井隔水管或生产立管时,管体和附近的流体会发生强烈的相互干涉作用,使其振动特征远比单管或者双管情况更为复杂。目前针对大雷诺数条件下,实尺寸钻井隔水管和生产立管群之间双自由度耦合干涉振动问题的研究还未见相关报道。为此,利用ANSYS-Fluent平台建立二维实尺寸钻井隔水管和生产立管群数值模型,采用SST k-ω模型和嵌套网格技术对流场域进行求解,并运用四阶Runge-Kutta法求解多管柱系统动力响应控制方程,通过自编流固耦合求解程序,实现流体与管柱之间相互耦合计算。研究结果表明:约化速度对钻井隔水管与生产立管群系统的干涉振动响应影响显著,在实际工程中,可以通过调节钻井隔水管或生产立管顶张力大小等方式改变其固有频率,或调节外形尺寸等方式改变约化速度,从而使管体脱离锁振状态,降低振动幅度;井槽间距的变化对柱群动态干涉响应的影响较小;立管群之间的干涉效应较双立管系统干涉效应有所差别,体现在中心位置的隔水管振动特性介于孤立状态和串列状态之间。所得结论可为海洋平台钻井隔水管与生产立管之间的干涉振动分析提供理论依据。

改进致动面模型的多风力机尾流研究

致动模型是一种较新的CFD计算模型,通过在N-S方程添加源项的形式模拟叶片对流场的作用,减少了网格数量和计算时间。本文结合面元法在致动模型上提出一种改进致动面模型,并在OpenFoam平台对改进致动面模型进行尾流预测,数值研究了NREL Phase VI水平轴风力机在均匀来流中的流场特性,对垂直和错排两种排布方式下的多风机尾流流场特性作出分析,如涡结构、速度亏损、尾迹干涉等,为深入研究风力机尾流以及风场开发提供了一定的依据。