附加流動(dòng)適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動(dòng)研究

在許多工程領(lǐng)域如海洋工程及風(fēng)工程領(lǐng)域，都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動(dòng)疲勞破壞引起的安全問(wèn)題，最有效的方法是控制柱尾渦和抑制渦激振動(dòng)，在圓柱上或周?chē)郊右种蒲b置的被動(dòng)控制方法是研究的熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)的控制方法大多不能適應(yīng)流向變化的影響。本課題提出附加柔性結(jié)構(gòu)探討流動(dòng)與渦激振動(dòng)控制的機(jī)理，開(kāi)展了利用流行的圓柱控制裝置以及自主的仿魚(yú)尾和組合式飄帶類(lèi)流動(dòng)適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動(dòng)研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：建立了若干類(lèi)剛性及柔性模型（螺旋、整流罩、分離盤(pán)、仿魚(yú)尾、絨毛、飄布、飄帶等）關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計(jì)并制作了各種傳統(tǒng)模型以及柔性結(jié)構(gòu)新模型；一方面利用自我發(fā)展的高分辨率數(shù)值模擬求解器（TVD-FVM-EVVT及TVD-FVM-VIV）對(duì)固定圓柱附加抑制裝置的尾渦控制進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)自由振動(dòng)圓柱附加抑制裝置的渦激振動(dòng)控制進(jìn)行數(shù)值模擬；另一方面，分別設(shè)計(jì)了大和小質(zhì)量阻尼系數(shù)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了固定和振?dòng)狀態(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；設(shè)計(jì)了典型水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了圓柱附加典型裝置控制渦激振動(dòng)的機(jī)理。通過(guò)深入研究，獲得了抑制圓管尾流和渦激振動(dòng)的基礎(chǔ)材料、基本結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)，獲得了最佳抑制裝置，如短尾型整流罩、短的柔性分離盤(pán)、最佳角度和尾長(zhǎng)的仿魚(yú)尾結(jié)構(gòu)、柔性布、絨毛等結(jié)構(gòu)；深刻揭示了圓管尾流和渦激振動(dòng)控制中的尾渦結(jié)構(gòu)、流體力系數(shù)、頻率變化、流激振動(dòng)、馳振等機(jī)理; 首次數(shù)值復(fù)現(xiàn)了近期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的馳振現(xiàn)象，首次風(fēng)洞發(fā)現(xiàn)了柔性結(jié)構(gòu)的馳振現(xiàn)象。有些結(jié)構(gòu)，特別是長(zhǎng)尾結(jié)構(gòu)無(wú)論是剛性還是柔性結(jié)構(gòu)都可能引起比傳統(tǒng)VIV更不利的馳振現(xiàn)象，相對(duì)來(lái)說(shuō)，仿魚(yú)尾結(jié)構(gòu)基本上都能減弱渦激振動(dòng)且不易產(chǎn)生馳振。本研究為尾渦及渦激振動(dòng)控制提供了新的技術(shù)路線(xiàn)，也為海洋、土木、橋梁、動(dòng)力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、使用和安全保障提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，特別是發(fā)現(xiàn)馳振反而帶來(lái)更大的安全隱患，也從新的角度為未來(lái)相關(guān)工程尤其是深水立管或隔水管渦激振動(dòng)抑制的研究與實(shí)際應(yīng)用提出了新的課題。本研究共發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，其中SCI高水平論文7篇。 2100433B

在許多工程領(lǐng)域都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動(dòng)疲勞破壞引起的安全問(wèn)題，最有效的方法是控制柱體尾渦和抑制渦激振動(dòng)。傳統(tǒng)的控制方法大多不能適應(yīng)流向變化的影響。本課題提出自主的仿魚(yú)尾和組合式飄帶兩類(lèi)流動(dòng)適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動(dòng)。主要研究?jī)?nèi)容包括：建立模型關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計(jì)并制作各種柔性結(jié)構(gòu)新模型；利用自我發(fā)展的高精度數(shù)值模擬方法對(duì)固定圓柱下尾渦控制進(jìn)行數(shù)值模擬；設(shè)計(jì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)驗(yàn)研究固定和振動(dòng)狀態(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；設(shè)計(jì)典型水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shí)驗(yàn)研究振動(dòng)狀態(tài)下圓柱尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；深入分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中的機(jī)理，探索高效的新型結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵性參數(shù)的適應(yīng)范圍，為尾渦及渦激振動(dòng)控制提供新的技術(shù)路線(xiàn)，也為海洋、土木、橋梁、動(dòng)力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、使用和安全保障提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，其成果在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

對(duì)于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結(jié)構(gòu)物，這種交替發(fā)放的瀉渦又會(huì)在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動(dòng)壓力。如果此時(shí)柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發(fā)生彈性變形，那么脈動(dòng)流體力將引發(fā)柱體(管體)的周期性振動(dòng)，這種規(guī)律性的柱狀體振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)改變其尾流的瀉渦發(fā)放形態(tài)。這種流體一結(jié)構(gòu)物相互作用的問(wèn)題被稱(chēng)作“渦激振動(dòng)”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在處理渦激振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)力系統(tǒng)加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個(gè)問(wèn)題的重要關(guān)鍵。在渦激振動(dòng)過(guò)程中，流體的動(dòng)壓力是一種作用于彈性系統(tǒng)的外加載荷，動(dòng)壓力的大小取決于彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度;另一方面，流體動(dòng)壓力的作用又會(huì)改變彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質(zhì)表現(xiàn)為流體對(duì)于彈性系統(tǒng)在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現(xiàn)象。

由慣性耦合產(chǎn)生附連質(zhì)量，在有流速場(chǎng)存在的條件下，由阻尼耦合產(chǎn)生附連阻尼，由彈性耦合產(chǎn)生附連剛度。流體的附連質(zhì)量、阻尼和剛度取決于流場(chǎng)的流動(dòng)特征參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統(tǒng)的特性，其關(guān)系式相當(dāng)復(fù)雜。用實(shí)驗(yàn)或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問(wèn)題研究中的重要課題。

實(shí)驗(yàn)證明，漩渦的發(fā)放頻率f可用無(wú)量綱參數(shù)斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal Number）來(lái)表示，表達(dá)式為：

f=St*V/D

St是構(gòu)件剖面形狀與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，其定義式為St=D/（V*T）。

其中：V為垂直于構(gòu)件軸線(xiàn)的速度（m/s）；

D為圓柱直徑或柱體的其他特征長(zhǎng)度（m）；

T為相關(guān)的特征時(shí)間（s）。

主要的研究方法有三種：

實(shí)驗(yàn)方法

瀉渦脫落引發(fā)的渦激振動(dòng)是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合，相互作用的復(fù)雜過(guò)程。需要具有一套完整物理實(shí)驗(yàn)方案和精密的實(shí)驗(yàn)儀器可以把所有的渦激振動(dòng)相關(guān)機(jī)型同步觀測(cè)，以測(cè)定其聯(lián)合效應(yīng)。物理實(shí)驗(yàn)往往很難同時(shí)提供流體的瞬時(shí)變化數(shù)據(jù)。

數(shù)值方法

振動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于數(shù)值模擬方法，按照所使用湍流模型的不同，可以將渦激振動(dòng)的數(shù)值模擬方法分為:直接數(shù)值模擬方法，雷諾平均N-S方程法，大渦模擬法，渦元法，還有基于上述各種方法的綜合。按照模擬方式的不同又可以分為基于彈性支撐的剛體二維模擬，基于彈性體二維渦元模擬和三維結(jié)構(gòu)插值積分的離散渦元法模擬，以及對(duì)于彈性體完全使用三維模型的全流域模擬等等

半經(jīng)驗(yàn)公式

半經(jīng)驗(yàn)公式主要有尾流陣子，單自由度模型，流體力組分模型。

流固耦合數(shù)值計(jì)算軟件

Ansys CFX

Fluent Abaqus

Adina

COMSOL Multiphysics(FEMLAB)

2020年5月6日凌晨，廣東省交通集團(tuán)通報(bào)稱(chēng)，專(zhuān)家組判斷，虎門(mén)大橋5日發(fā)生振動(dòng)系橋梁渦振現(xiàn)象，并認(rèn)為懸索橋結(jié)構(gòu)安全可靠，不會(huì)影響虎門(mén)大橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

截至2020年5月6日11時(shí)，渦振仍未停止。葛耀君解釋?zhuān)螠u振的成因與第一次渦振沒(méi)有直接的聯(lián)系，已經(jīng)安排儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)，專(zhuān)家組正在對(duì)二次渦振的成因進(jìn)行調(diào)查。

2020年5月11日，據(jù)中國(guó)交通報(bào)發(fā)布 ，據(jù)專(zhuān)家分析，水馬是虎門(mén)大橋渦振誘因，虎門(mén)大橋結(jié)構(gòu)安全，相關(guān)抑振措施正在研究實(shí)施中。 2100433B