双自由度圆柱体的涡激振动研究

摘要

在海洋工程领域，很多关键部件都具有类似圆柱体形状，由流体力学理论可知，这些海洋结构物极易受到粘性漩涡引起的结构振动和动力载荷作用，尤其当其固有振动频率和漩涡脱落频率一致时，整个结构物的涡激振动（VIV）会变得更加剧烈，最终导致结构物的疲劳破坏。
　　本文在详细回顾和总结国内外关于立管涡激振动研究方法和最新动态的基础上，首先利用 CFD中 FLUENT模块求解不可压粘性流体中的Navier-Stokes方程，同时自编UDF（User Defined Function）接口程序和结合动网格技术数值分析了双自由度下的圆柱受迫振荡和自激振动问题；基于范德波尔方程提出了双尾流振子模型，再联合结构振子方程得到一种双尾流耦合振子模型。论文的主要内容总结为以下几点：
　　1、构建了固定圆柱体绕流场的数值计算模型，将计算结果和文献中试验、数值结论对比从而验证了本文使用的数值计算方法和模型的可靠性，这为后续开展圆柱受迫振荡和自激振动的数值计算奠定基础；
　　2、为了开展后续的均匀流和振荡流联合作用下涡激振动研究，首先对低雷诺数下均匀流中的圆柱体进行横向和双自由度受迫振荡研究，分别研究了振动频率和幅值对受迫振荡的影响，具体分析了升力系数和阻力系数时间历程曲线、尾流场的漩涡脱落频率和尾涡结构变化情况；分析了圆柱体在均匀流和振荡流联合作用下的受迫运动响应特征，发现振荡流改变了受迫振荡的锁定区间、水动力系数和尾涡脱落模式；
　　3、数值模拟了双自由度弹性支撑圆柱体的涡激振动问题，计算得到了尾流场的漩涡脱落频率、振动位移时间历程曲线、圆柱系统的运动轨迹以及水动力系数时历曲线等运动响应特征和尾涡脱落情况；本文分别研究了质量比和阻尼比对双自由度弹性支撑圆柱体涡激振动的影响；数值模拟了圆柱体在均匀流和振荡流联合作用下的自激振动特征，结果表明振荡流扩大了自激振动的锁定范围，并且使得顺流向振动幅值大大增加，甚至超过了横向所能激发的最大幅值；
　　4、基于Van der Pol方程提出了双尾流振子概念，用耦合振子模型准确地预报了试验中双自由度圆柱的涡激振动算例；通过对模型参数的讨论，确定了最优的耦合参数组合；在较高的顺流向与横向结构自振频率比算例下，观察到了一种由两个“8”字形叠加的新型圆柱运动轨迹。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 涡激振动的研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 涡激振动基本理论

2.1 引言

2.2 涡激振动的基本参数

2.3自激振动系统的线性化运动方程

2.4本章小结

第3章 数值方法及模型验证

3.1引言

3.2数值计算模型及求解方法

3.3 二维圆柱绕流的数值模拟

3.4 本章小节

第4章 圆柱两自由度受迫振荡数值分析

4.1 引言

4.2 计算模型构建及验证

4.3 横向受迫振荡数值分析

4.4 圆柱两自由度受迫振荡数值分析

4.5 均匀流和振荡流联合作用下受迫振荡分析

4.6 本章小节

第5章 弹性支撑圆柱涡激振动数值分析

5.1 引言

5.2 圆柱涡激振动数学模型建立及离散求解

5.3计算模型构建及可靠性验证

5.4 数值计算结果与分析

5.5 质量比和阻尼比对弹性支撑涡激振动的影响分析

5.6 均匀流和振荡流联合作用下自激振动分析

5.7 本章小节

第6章 双尾流振子耦合模型研究

6.1 引言

6.2 流固耦合模型的建立

6.3 圆柱体涡激振动响应计算

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢