大跨度钢-混结合梁悬索桥涡激振动控制指标体系研究

为保证已建桥梁发生涡激振动后桥梁结构的安全以及桥上行车和行人安全,提出综合考虑人员舒适性、结构受力和停车线形三方面的大跨度钢-混结合梁悬索桥涡激振动控制指标体系。该体系包含9项指标,分别为驾乘人员舒适度、驾乘人员晕动症、行人舒适度(狄克曼指标)、加劲梁强度、加劲梁应力、加劲梁挠度、桥面纵坡、竖曲线半径和停车视距。以武汉鹦鹉洲长江大桥为背景,分别计算了“限速”和“封桥”2个交通管制措施下9项指标对应的涡激振动振幅限值。在此基础上,将9项指标对应的涡激振动振幅限值的最小值作为涡激振动限值建议取值。结果表明:当该桥发生低阶竖弯涡激振动(VS1、VAS1)时,涡激振动的控制因素为加劲梁挠度指标;当大桥发生VAS2模态的竖弯涡激振动时,涡激振动由驾乘人员晕动症指标和行人舒适度指标共同控制;当大桥发生高阶竖弯涡激振动(VAS3、VAS4)时,涡激振动由行人舒适度指标控制。涡激振动控制指标体系及限值标准的计算框架可适用于不同桥型涡激振动限值的计算。

控制杆-强制旋转对圆柱涡激振动的抑制作用研究

为实现圆柱涡激振动的高效抑制,本文基于控制杆-强制旋转组合结构讨论圆柱涡激振动的抑制问题。对低雷诺数下的圆柱涡激振动进行数值模拟研究,对比分析不同控制杆数量和圆柱转速比下的流场特性、振动响应和流体力响应等。结果表明:与裸圆柱相比,控制杆具有一定的涡激振动抑制效果;对于三、五控制杆,通过调节转速比,可以实现最高98%的圆柱振幅抑制(对三控制杆,转速比为0.4~0.6;对五控制杆,转速比为0~0.2);圆柱振幅抑制与圆柱减阻区间相同;对于四、六控制杆,旋转对振幅抑制的影响较小;主圆柱表面的漩涡脱落和漩涡的合并会引起流体力系数的高幅波动,导致圆柱高振幅响应;没有漩涡合并和圆柱表面脱涡不明显时,流体力系数则无明显波动,圆柱振幅也显著降低。

腐蚀海洋立管的涡激振动响应分析

海水对深海服役输油立管的腐蚀作用会不断改变立管表面形态和动力特性,从而显著影响立管涡激振动响应。因此,基于X70管线钢模拟深海环境腐蚀试验结果,分析了不同腐蚀率的立管涡激振动响应。首先,对X70管线钢标准挂片进行模拟深海环境腐蚀试验,获得材料腐蚀速率和壁厚损伤程度时变模型;然后,根据相同腐蚀速率下单位面积腐蚀损失质量一定的等效原则,建立表征不同腐蚀率立管的有限元模型;最后,采用嵌套网格技术实现计算域内网格动态更新来考虑立管与流场的流固耦合,分析腐蚀立管的横流向和顺流向涡激振动响应幅值以及锁定区间。研究表明,当腐蚀率较小时,腐蚀对立管涡激振动呈现出较强抑制作用,最大横流向和顺流向振幅分别是光滑立管的53.40%和16.70%,且提前进入并推后离开锁定区间。但是,随着腐蚀率增加,立管涡激振动响应急剧增加,在腐蚀率为4.07%~22.74%内,腐蚀立管涡激振动响应幅值都大于光滑立管,最大横流向和顺流向振幅分别是光滑立管的1.16倍和1.17倍,进入锁定区间与光滑立管基本相同,但推后离开锁定区间。当腐蚀率为28.09%时,腐蚀立管涡激振动响应有所降低,但横流向振幅仍大于光滑立管,进入锁定区间与光滑立管基本相同,但较大幅度提前离开锁定区间。

均匀流下水下机械臂涡激振动试验研究

为了揭示均匀流下水下机械臂的涡激振动响应特性,利用运动水下机械臂与静水间的相对运动,搭建了水下机械臂均匀流场涡激振动测试试验台,采集了不同约化速度下水下机械臂不同位置处的振动位移响应.试验结果表明:随着约化速度的增加,振动主频与无量纲振幅均为增长的趋势,横流向无量纲振幅小于0.04D,顺流向出现显著的多频以及更高的幅值,表明水下机械臂在顺流向受到的阻力更加明显.位移标准差随测试高度的增加先增后减,横流向位移标准差空间分布相较于顺流向对称性明显,主导模态控制在1阶.横流向的涡激振动规律性较强,基本符合圆柱绕流时的斯托哈尔规律.顺流向无因次主导频率在0.3~0.8之间,略大于横流向,斯托哈尔数为横流向工况的1~1.7倍,未出现频率锁定现象,但流速及测试高度对水下机械臂的涡激振动存在一定影响.该研究可为构建准确的水动力学模型保证水下机械臂的精准定位与控制提供一定的理论依据.

安装肋条斜拉索的涡激振动和气动力特性研究

以安装肋条斜拉索为研究对象,通过风洞试验系统研究肋条的安装方式(通长安装和间断交错安装)、尺寸和数量对斜拉索涡激振动和气动力的影响,并分析涡激振动的抑制机理.结果表明:和标准斜拉索相比,安装肋条斜拉索能有效抑制涡激振动,且间断交错安装方式的抑振效果优于通长安装方式,肋条数量为8根的控制效果优于6根和12根;增加肋条宽度和厚度都会减小涡激振动振幅;肋条斜拉索的脉动升力系数显著小于标准斜拉索,且功率谱尖峰幅值降低或不存在显著尖峰,表明间断交错肋条可以降低卡门涡脱落强度甚至完全抑制;对于气动力,在试验雷诺数范围内,安装肋条后平均气动力系数无明显雷诺数效应;相比于标准斜拉索,肋条为通长安装时均会增加斜拉索的平均阻力系数,而采用间断交错安装时,不同肋条数量、尺寸和风攻角对斜拉索的增阻减阻情况不同.当采用8根尺寸为20 mm×15mm的肋条间断交错安装时,在所有风攻角下都有良好的抑振效果,最大涡振振幅减小率可达到96.79%,且平均阻力系数均稳定在1.13附近,平均升力系数均稳定在0附近.

带碰撞的惯质调谐质量阻尼器对斜拉索涡激振动控制研究

在以往惯质调谐质量阻尼器(tuned mass damper-inerter, TMDI)的研究基础上,引入非线性碰撞机制,提出一种带碰撞的新型惯质调谐质量阻尼器(pounding tuned mass damper-inerter, PTMDI)来对斜拉索的涡激振动进行控制。该阻尼器不仅能减小装置尺寸,又能利用振子在碰撞过程中产生的加速度突变来提高惯质器的质量放大效应,在一定程度上解决传统惯质型阻尼器一端尽量固接的安装方式,布置上更为灵活。建立了设有该装置的斜拉索涡激减振控制方程,分析了拉索涡激振动特性,并对其减振性能进行了研究。对阻尼器惯容参数和碰撞参数的影响及优化问题进行了探讨,给出了最优参数的取值方法。算例表明,所提PTMDI能显著降低斜拉索的涡激振动响应,且在所提优化方法得到的最优参数下具有更为优越的控制能力。对于常遇风时拉索出现的多模态涡激振动控制分析表明,碰撞机制能使PTMDI的鲁棒性得到提升,对多模态涡激振动也有相当程度的控制效果。

柱体流激振动能量俘获理论与技术研究若干进展

潮流能分布广泛,且储量巨大,具备巨大的规模化开发利用价值.流激振动是一种常见的流固耦合现象,通过柱体流激振动能够在流速较低时实现有效的能量转换,基于柱体流激振动的能量俘获技术在未来具备广阔的工程应用前景.近年来,针对柱体结构流激振动特性和能量俘获性能,出现了大量的实验和数值仿真研究工作.文章全面阐述了多种截面形式的单个柱体、柱群结构流激振动能量俘获理论与技术方面的研究进展:对于单个圆柱流激振动能量俘获,目前已基本揭示了被动湍流控制器参数、系统阻尼、雷诺数和边界条件等因素对能量俘获性能的影响规律,基本完成了理论和技术积累;对于非圆截面柱体流激振动能量俘获,已初步明确特定来流攻角、系统质量比、系统阻尼、系统刚度和雷诺数条件下三角形、四边形、多边形与异形等多种截面形式柱体的流激振动作用机理和能量俘获能力;对于柱群的流激振动能量俘获,各柱体振子之间存在流场干涉,需要合理设计柱体排布形式、柱体间距和系统阻尼等参数,实现流体能量俘获最大化.通过综述国内外流激振动能量俘获理论和技术方面的研究进展,对今后该问题的研究进行了力所能及的展望,期望促进流激振动能量俘获理论的发展和流激振动能量转换装置的工程应用.

基于尾流振子模型的柔性悬挂立管涡激振动分析

为了分析深海采矿柔性立管涡激振动响应特性,提出了一种高效的针对特殊边界的处理方法.基于欧拉梁模型和尾流振子模型,结合有限差分方法,系统研究不同边界条件、中间仓质量和海流剪切参数对深海采矿立管涡激振动的影响规律.结果表明:悬挂立管底部会产生较大位移,与传统两端铰接立管相比,相同激励下悬挂立管会激发出更高阶的振动模态,从原本5阶模态升至6阶;随着中间仓质量增加,立管振动的主导模态会随之降低,在同一模态下,悬挂立管底部位移逐渐减小,从0.460降至0.405,当模态转换时,底部位移均方根会迅速增大,由0.405升至0.413;底部位移随着均匀流速的增加呈现出波动趋势,在一定流速范围内,位移随流速线性变化;随着剪切参数增大,在同一模态下,立管底部的位移逐渐减小,当模态转换时,底部位移会增加.

刚性立管涡激振动的数值模拟方法研究

在复杂的海洋环境中,深海立管易发生涡激振动,进而导致立管发生疲劳损伤。针对这一问题,本文采用高精度的四阶龙格库塔法和有限差分法,对刚性圆柱体结构振子与尾流振子耦合的常微分方程组进行数值模拟。数值算例通过Matlab实现数值模拟过程,结果显示在较长时间区间内计算得出的无量纲位移的振幅与无量纲尾流振子的振幅均与现有文献中的结果保持了较高的一致性,证实了所采用的数值方法能够有效地模拟刚性圆柱体的涡激振动响应,为未来在涡激振动耦合的偏微分方程组数值模拟及相关参数研究方面提供了可靠的工具。

基于神经网络的输电塔钢管构件涡激振动幅值预测方法

输电塔中长细比较大的钢管构件容易发生低风速下的涡激振动,鉴于传统风洞试验和数值模拟研究方法存在的成本高、周期长的局限,该文提出了一种基于神经网络的输电塔钢管构件涡激振动幅值高效预测方法。为获取训练模型所需的数据集,发展了适用于任意插板形式、几何尺寸的钢管构件涡激振动响应分析方法;结合多种神经网络模型(BPNN、PSO-BPNN、RBFNN、GRNN)以及性能评价指标,建立了基于神经网络的输电塔钢管构件涡激振动幅值预测方法;通过算例对某C型插板和十字型插板钢管构件涡激振动幅值进行了预测。研究表明:通过与试验结果的对比,验证了该文输电塔钢管构件涡激振动响应分析方法的准确性,对于C型和十字型插板钢管构件VIV幅值的相对误差分别为3.84%和5.87%,利用该方法可为神经网络模型提供可靠样本;通过7折10次交叉验证优化超参数后的4种神经网络模型,均表现出较好的预测精度;相比之下,GRNN在C型插板和十字型插板钢管构件算例中均呈现出最佳的泛化能力,其R2值分别为0.989和0.992;采用GRNN方法可以较好地预测C型和十字型插板钢管构件在不同质量阻尼比参数下的VIV幅值,且在计算效率上相比于CFD方法具有明显的优势。

海洋立管涡激振动的基本理论、研究方法、影响因素及抑振方式的研究综述

海洋立管是海洋油气开发平台的重要组成部分,而涡激振动研究是保障其正常工作的重要研究领域。本文从海洋立管涡激振动的基本理论、海洋立管涡激振动研究方法的发展、影响涡激振动的相关因素、涡激振动的监测和抑制方法四个方面对海洋立管涡激振动的相关研究进行综述。由前人工作可知,海洋立管涡激振动研究经历了试验研究、理论模型分析、计算流体力学方法的应用等多个阶段,而顶张力、洋流、波浪、支承条件、长细比、材料以及内流等均显著影响其涡激振动特征。为保障海洋立管在涡激振动情况下的正常工作,其抑振研究经历了由被动抑振到主动抑振,再到利用先进监测及预测手段采取特定抑振方式及时介入的发展过程。在将来,海洋立管监测控制系统必将发展为一个利用信息采集及处理平台,结合主动控制技术,实现海洋立管工作状态监测、故障发现以及主动控制的集中化、智能化系统。

不同厚宽比矩形截面柱体涡激振动的数值研究

厚宽比的变化将导致矩形截面柱体周边流场的变化,进而影响结构气动性能及其涡激振动响应。基于Fluent软件平台,以雷诺数22 000的二维矩形截面柱体为对象,结合重叠网格技术与四阶龙格-库塔法,研究了厚宽比对其涡激振动的影响,从流场角度进行了影响机理分析。首先,选择厚宽比D/B=0.25的矩形截面,将计算结果与相关文献试验与模拟对比,验证了模拟方法及参数设置的有效性;然后,从气动力系数统计值及自谱、流向与横风向振幅变化以及相位转变等角度,对比分析了厚宽比对结构涡激振动响应的影响;最后,从瞬态流场的角度,分析了不同折减风速对柱体尾涡脱落的影响。结果表明,在柱体截面面积不变时,较小厚宽比柱体的涡振响应极为微弱,气动性能也明显低于大厚宽比柱体,大厚宽比柱体的气动性能及涡振响应高于标准方柱,振幅也会在较低折减风速下发生突变,但会在较高折减风速下达到振幅峰值。比起圆柱等结构,分离角固定的矩形柱体的尾涡脱落模式对折减风速的变化并不敏感,这一特征在大厚宽比方柱上表现更为明显。

基于LES的水工钢闸门流激振动数值模拟研究

针对钢闸门流激振动机制的复杂性以及钢闸门流激振动在工程实际中的多发性,以二维平板钢闸门为例,基于ADINA有限元分析软件,建立了不同开度的流场有限元模型和固体有限元模型,探究了不同开度时水工钢闸门动力响应规律,阐明了单、双向流固耦合作用下钢闸门动力响应差异,揭示了水工钢闸门流激振动机制。结果表明:1)随着开度的增大,流场不同位置处脉动压力逐渐减小,钢闸门附近旋涡脱落的频率逐渐降低;2)对于水工钢闸门而言,可以采用单向流固耦合代替双向流固耦合进行计算;3)水工钢闸门流激振动产生的机制主要是钢闸门周围旋涡脱落频率与钢闸门结构第一阶自振频率一致或相近,导致钢闸门发生了共振。

均匀流作用下柔性悬垂管涡激振动响应特性试验研究

温差能发电是近年海洋可再生能源研究的热点,悬垂取水管作为温差发电装置中提取深层冷海水的关键结构,其涡激振动响应特性尚不明确。本文开展了均匀流下悬垂管的涡激振动水池模型试验,利用光纤光栅应变传感器测量涡激振动应变响应,通过模态分析法、小波变换等数据处理方法研究悬垂管的幅值和频率特征。分析试验结果发现:均匀流作用下,悬垂管的涡激振动位移响应最大幅值主要位于悬垂管底部;柔性悬挂立管IL(in-line)和CF(cross-flow)主导频率基本满足二倍频关系,但是在模态转换的流速工况下会出现IL和CF方向主导频率相同的现象,同时伴随着明显的“行波”、“多频响应”以及“时间共享”特征;处理得到背景洋流作用下悬垂管的CF和IL方向斯特哈尔数分别为0.15和0.30,略小于以往两端铰支柔性立管试验结果,该值将为悬垂输水管涡激振动预报研究提供参数输入。

不同刚度圆柱振子涡激振动数值模拟

为了研究不同刚度涡激振动系统对圆柱振子振动特性的影响,本文建立了单自由度涡激振动系统的仿真模型,采用计算流体力学(CFD)方法并结合重叠网格技术进行数值模拟。通过与公开发表的文献数据进行对比,验证了模型的精度和方法的可靠性。本文对时变流速下圆柱振子的振幅响应、频率响应和尾涡特征的变化情况进行了详细分析。仿真结果表明:当圆柱振子的振幅随流速的改变而降低时,调整弹簧刚度的大小,可使其保持较大的无量纲振幅和振动频率,并使尾流脱落旋涡之间的间距增大,且脱落模式由“2S”模式变为“2P”模式。

门式钢桥塔涡激振动特性及机理研究

钢桥塔是一种高耸细柔结构,对风荷载十分敏感,易发生涡激振动。为研究某高度为217 m钢桥塔的涡激振动性能,开展了1∶100缩尺比下的自立状态气弹模型风洞试验。试验结果表明,0°~30°风向角下,在低风速区间发生了两塔柱同相涡激振动,在高风速区间发生了反相涡激振动。其中,同相和反相涡激振动的最不利风向角分别为0°和10°,塔柱同相顺风向位移和反相扭转角分别为609.5 mm和4.3°。进一步地,通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法研究了两类涡激振动的发生机理。数值模拟结果表明,两塔柱附近旋涡交替脱落的频率与桥塔的基阶自振频率接近,由此在塔柱两侧产生的周期性压力差使得桥塔发生同相和反相涡激振动。该研究结果和结论可为同类型钢桥塔的抗风设计提供一定参考。

输电塔圆钢管的涡激振动气动控制研究

作为一种力学性能卓越的输电塔类型,钢管塔在工程中应用广泛。然而,当钢管塔材长细比较大且趋于水平布置时,钢管杆在风速较小时容易发生涡激振动。在长期运行过程中,这种持续反复的振动可能造成钢管塔构件的疲劳破坏,塔体结构一旦发生破坏,将直接威胁到电网的稳定运行。针对该问题开展研究,采用大尺寸真型钢管杆件,通过风洞试验分别研究了螺旋形扰流线和被动吹气套环2种涡激振动气动控制措施。分析不同螺旋线数量、螺距和不同孔厚、孔型对涡振控制效果的影响规律。研究结果表明:单螺旋线控制效果一般,三螺旋线最多可以削减97.7%的涡振,套环控制最多可以削减75.5%的涡振。文中使用足尺模型以满足雷诺数需求,实现更接近输电塔钢管真实环境的研究,为实际工程中钢管涡激振动抑制提供参考和借鉴。

基于LES方法的新型涡激振动风能采集器俘能特性分析

以所研制的涡激振动能量收集器(VIVPEHS)为研究对象,联合开源软件OpenFOAM和Matlab对大涡模拟(LES)方程、二阶范德波尔(Van der Pol’s)方程和高斯定律(Gauss’law)进行涡街振动俘能耦合计算,建立流机电耦合VIVPEHS数值模型,同时搭建并列双圆柱VIVPEHS俘能测试平台对数值模型开展实验验证。结果表明:升/阻力、压电梁位移、机电转换效率和尾流形态的预测值与实验数据符合良好。实验和计算结果表明,当圆柱直径(D)不变时,随着俘能距离(Sn)的增加,输出电压先增大后减小,在S_(n)=8D时输出电压最大;随着负载阻抗的增大,输出功率先增大后减小,存在最优负载阻抗(25000Ω),此时并列双圆柱VIVPEHS的输出功率可达72 mW,且直接点亮21只商用LED。

带肋斜拉索涡激振动和气动力特性的试验研究

为研究肋条安装方式(通长安装与间断交错安装)对斜拉索涡激振动和气动力特性的影响规律,进行了斜拉索节段模型的风洞试验。结果表明:只要安装肋条,就能够在一定程度上抑制斜拉索的涡激振动,在试验参数范围内,斜拉索涡激振动幅值最少可以降低46.16%;当肋条为通长安装时,会明显降低斜拉索涡激振动,但是会造成起振风速的增大或振动区间的延长;当肋条为间断交错安装时,整体抑振效果均好于通长安装情况,风攻角为15°时,肋条斜拉索的抑振效果达到了96.30%,可以用于特定来流风的环境当中;当肋条为间断交错安装时,斜拉索模型的平均阻力系数稳定在1.0~1.3,平均升力系数稳定在-0.07~0.14,具有一定的减阻效果;当风攻角α=15°和30°时,整体脉动气动力系数无明显雷诺数效应,脉动阻力系数稳定在0.025附近,脉动升力系数稳定在0附近,说明安装间断交错肋条后斜拉索具有更好的气动力效应。

风电机组高塔一阶涡激振动特性研究

针对风力发电机组钢制高塔的涡激振动问题,采用固体-流体相结合的仿真方法对停机状态的塔架一阶涡激振动特性进行研究。首先以某2.5 MW、140 m高塔机组为研究对象,建立塔架-叶片耦合结构仿真模型,利用模态和CFD仿真分析塔架一阶涡激振动的共振频率和共振风速范围,表明该风电机组塔架存在发生一阶涡激振动的风险;然后提出一种基于固体-流体迭代快速仿真一阶涡激振动最大位移计算方法,考虑叶片对塔架涡激振动的耦合作用,得到最大振动位移。现场测试表明实测最大一阶涡激振动位移与仿真结果基本相符,验证了该仿真方法的准确性。