附加流動適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動研究項目摘要

在許多工程領(lǐng)域都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動疲勞破壞引起的安全問題，最有效的方法是控制柱體尾渦和抑制渦激振動。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尾和組合式飄帶兩類流動適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動。主要研究內(nèi)容包括：建立模型關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計并制作各種柔性結(jié)構(gòu)新模型；利用自我發(fā)展的高精度數(shù)值模擬方法對固定圓柱下尾渦控制進行數(shù)值模擬；設(shè)計風洞實驗?zāi)Ｐ?、實驗研究固定和振動狀態(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動控制機理；設(shè)計典型水洞實驗?zāi)Ｐ?、實驗研究振動狀態(tài)下圓柱尾渦及渦激振動控制機理；深入分析計算和實驗中的機理，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，為尾渦及渦激振動控制提供新的技術(shù)路線，也為海洋、土木、橋梁、動力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、使用和安全保障提供理論指導和技術(shù)支撐，其成果在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在許多工程領(lǐng)域如海洋工程及風工程領(lǐng)域，都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動疲勞破壞引起的安全問題，最有效的方法是控制柱尾渦和抑制渦激振動，在圓柱上或周圍附加抑制裝置的被動控制方法是研究的熱點。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)探討流動與渦激振動控制的機理，開展了利用流行的圓柱控制裝置以及自主的仿魚尾和組合式飄帶類流動適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動研究。主要研究內(nèi)容包括：建立了若干類剛性及柔性模型（螺旋、整流罩、分離盤、仿魚尾、絨毛、飄布、飄帶等）關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計并制作了各種傳統(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）對固定圓柱附加抑制裝置的尾渦控制進行數(shù)值模擬，對自由振動圓柱附加抑制裝置的渦激振動控制進行數(shù)值模擬；另一方面，分別設(shè)計了大和小質(zhì)量阻尼系數(shù)的風洞實驗?zāi)Ｐ停芯苛斯潭ê驼駝訝顟B(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動控制機理；設(shè)計了典型水槽實驗?zāi)Ｐ?，研究了圓柱附加典型裝置控制渦激振動的機理。通過深入研究，獲得了抑制圓管尾流和渦激振動的基礎(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、最佳角度和尾長的仿魚尾結(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控制中的尾渦結(jié)構(gòu)、流體力系數(shù)、頻率變化、流激振動、馳振等機理; 首次數(shù)值復現(xiàn)了近期實驗中發(fā)現(xiàn)的馳振現(xiàn)象，首次風洞發(fā)現(xiàn)了柔性結(jié)構(gòu)的馳振現(xiàn)象。有些結(jié)構(gòu)，特別是長尾結(jié)構(gòu)無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，相對來說，仿魚尾結(jié)構(gòu)基本上都能減弱渦激振動且不易產(chǎn)生馳振。本研究為尾渦及渦激振動控制提供了新的技術(shù)路線，也為海洋、土木、橋梁、動力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、使用和安全保障提供了理論指導和技術(shù)支撐，特別是發(fā)現(xiàn)馳振反而帶來更大的安全隱患，也從新的角度為未來相關(guān)工程尤其是深水立管或隔水管渦激振動抑制的研究與實際應(yīng)用提出了新的課題。本研究共發(fā)表學術(shù)論文22篇，其中SCI高水平論文7篇。 2100433B

對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)放的瀉渦又會在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動壓力。如果此時柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發(fā)生彈性變形，那么脈動流體力將引發(fā)柱體(管體)的周期性振動，這種規(guī)律性的柱狀體振動反過來又會改變其尾流的瀉渦發(fā)放形態(tài)。這種流體一結(jié)構(gòu)物相互作用的問題被稱作“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在處理渦激振動問題時，把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個統(tǒng)一的動力系統(tǒng)加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個問題的重要關(guān)鍵。在渦激振動過程中，流體的動壓力是一種作用于彈性系統(tǒng)的外加載荷，動壓力的大小取決于彈性系統(tǒng)振動的位移、速度和加速度;另一方面，流體動壓力的作用又會改變彈性系統(tǒng)振動的位移、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的流動特征參量（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)系式相當復雜。用實驗或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。

實驗證明，漩渦的發(fā)放頻率f可用無量綱參數(shù)斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal Number）來表示，表達式為：

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)件軸線的速度（m/s）；

D為圓柱直徑或柱體的其他特征長度（m）；

T為相關(guān)的特征時間（s）。

主要的研究方法有三種：

實驗方法

瀉渦脫落引發(fā)的渦激振動是一個多物理場耦合，相互作用的復雜過程。需要具有一套完整物理實驗方案和精密的實驗儀器可以把所有的渦激振動相關(guān)機型同步觀測，以測定其聯(lián)合效應(yīng)。物理實驗往往很難同時提供流體的瞬時變化數(shù)據(jù)。

數(shù)值方法

振動問題。對于數(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，以及對于彈性體完全使用三維模型的全流域模擬等等

半經(jīng)驗公式

半經(jīng)驗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，廣東省交通集團通報稱，專家組判斷，虎門大橋5日發(fā)生振動系橋梁渦振現(xiàn)象，并認為懸索橋結(jié)構(gòu)安全可靠，不會影響虎門大橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

截至2020年5月6日11時，渦振仍未停止。葛耀君解釋，二次渦振的成因與第一次渦振沒有直接的聯(lián)系，已經(jīng)安排儀器觀測數(shù)據(jù)，專家組正在對二次渦振的成因進行調(diào)查。

2020年5月11日，據(jù)中國交通報發(fā)布 ，據(jù)專家分析，水馬是虎門大橋渦振誘因，虎門大橋結(jié)構(gòu)安全，相關(guān)抑振措施正在研究實施中。 2100433B