附加流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动研究

在许多工程领域如海洋工程及风工程领域，都存在圆柱泄涡诱发的涡激振动疲劳破坏引起的安全问题，最有效的方法是控制柱尾涡和抑制涡激振动，在圆柱上或周围附加抑制装置的被动控制方法是研究的热点。但传统的控制方法大多不能适应流向变化的影响。本课题提出附加柔性结构探讨流动与涡激振动控制的机理，开展了利用流行的圆柱控制装置以及自主的仿鱼尾和组合式飘带类流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动研究。主要研究内容包括：建立了若干类刚性及柔性模型（螺旋、整流罩、分离盘、仿鱼尾、绒毛、飘布、飘带等）关键性参数，设计并制作了各种传统模型以及柔性结构新模型；一方面利用自我发展的高分辨率数值模拟求解器（TVD-FVM-EVVT及TVD-FVM-VIV）对固定圆柱附加抑制装置的尾涡控制进行数值模拟，对自由振动圆柱附加抑制装置的涡激振动控制进行数值模拟；另一方面，分别设计了大和小质量阻尼系数的风洞实验模型，研究了固定和振动状态下圆柱的尾涡及涡激振动控制机理；设计了典型水槽实验模型，研究了圆柱附加典型装置控制涡激振动的机理。通过深入研究，获得了抑制圆管尾流和涡激振动的基础材料、基本结构与几何参数，获得了最佳抑制装置，如短尾型整流罩、短的柔性分离盘、最佳角度和尾长的仿鱼尾结构、柔性布、绒毛等结构；深刻揭示了圆管尾流和涡激振动控制中的尾涡结构、流体力系数、频率变化、流激振动、驰振等机理; 首次数值复现了近期实验中发现的驰振现象，首次风洞发现了柔性结构的驰振现象。有些结构，特别是长尾结构无论是刚性还是柔性结构都可能引起比传统VIV更不利的驰振现象，相对来说，仿鱼尾结构基本上都能减弱涡激振动且不易产生驰振。本研究为尾涡及涡激振动控制提供了新的技术路线，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障提供了理论指导和技术支撑，特别是发现驰振反而带来更大的安全隐患，也从新的角度为未来相关工程尤其是深水立管或隔水管涡激振动抑制的研究与实际应用提出了新的课题。本研究共发表学术论文22篇，其中SCI高水平论文7篇。 2100433B

在许多工程领域都存在圆柱泄涡诱发的涡激振动疲劳破坏引起的安全问题，最有效的方法是控制柱体尾涡和抑制涡激振动。传统的控制方法大多不能适应流向变化的影响。本课题提出自主的仿鱼尾和组合式飘带两类流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动。主要研究内容包括：建立模型关键性参数，设计并制作各种柔性结构新模型；利用自我发展的高精度数值模拟方法对固定圆柱下尾涡控制进行数值模拟；设计风洞实验模型、实验研究固定和振动状态下圆柱的尾涡及涡激振动控制机理；设计典型水洞实验模型、实验研究振动状态下圆柱尾涡及涡激振动控制机理；深入分析计算和实验中的机理，探索高效的新型结构及其关键性参数的适应范围，为尾涡及涡激振动控制提供新的技术路线，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障提供理论指导和技术支撑，其成果在许多领域具有广阔的应用前景。

对于海洋工程上普遍采用的圆柱形断面结构物，这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体一结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在处理涡激振动问题时，把流体和固体弹性系统作为一个统一的动力系统加以考虑，并找到两者的耦合条件，是解决这个问题的重要关键。在涡激振动过程中，流体的动压力是一种作用于弹性系统的外加载荷，动压力的大小取决于弹性系统振动的位移、速度和加速度;另一方面，流体动压力的作用又会改变弹性系统振动的位移、速度和加速度。这种互相作用的物理性质表现为流体对于弹性系统在惯性、阻尼和弹性诸方面的耦合现象。

由惯性耦合产生附连质量，在有流速场存在的条件下，由阻尼耦合产生附连阻尼，由弹性耦合产生附连刚度。流体的附连质量、阻尼和刚度取决于流场的流动特征参量（诸如流速、水深、流量等）、边界条件以及弹性系统的特性，其关系式相当复杂。用实验或理论方法求出这些附连的量，是水弹性问题研究中的重要课题。

实验证明，漩涡的发放频率f可用无量纲参数斯特劳哈尔数St（Strouhal Number）来表示，表达式为：

f=St*V/D

St是构件剖面形状与雷诺数Re的函数，其定义式为St=D/（V*T）。

其中：V为垂直于构件轴线的速度（m/s）；

D为圆柱直径或柱体的其他特征长度（m）；

T为相关的特征时间（s）。

主要的研究方法有三种：

实验方法

泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场耦合，相互作用的复杂过程。需要具有一套完整物理实验方案和精密的实验仪器可以把所有的涡激振动相关机型同步观测，以测定其联合效应。物理实验往往很难同时提供流体的瞬时变化数据。

数值方法

振动问题。对于数值模拟方法，按照所使用湍流模型的不同，可以将涡激振动的数值模拟方法分为:直接数值模拟方法，雷诺平均N-S方程法，大涡模拟法，涡元法，还有基于上述各种方法的综合。按照模拟方式的不同又可以分为基于弹性支撑的刚体二维模拟，基于弹性体二维涡元模拟和三维结构插值积分的离散涡元法模拟，以及对于弹性体完全使用三维模型的全流域模拟等等

半经验公式

半经验公式主要有尾流阵子，单自由度模型，流体力组分模型。

流固耦合数值计算软件

Ansys CFX

Fluent Abaqus

Adina

COMSOL Multiphysics(FEMLAB)

2020年5月6日凌晨，广东省交通集团通报称，专家组判断，虎门大桥5日发生振动系桥梁涡振现象，并认为悬索桥结构安全可靠，不会影响虎门大桥后续使用的结构安全和耐久性。

截至2020年5月6日11时，涡振仍未停止。葛耀君解释，二次涡振的成因与第一次涡振没有直接的联系，已经安排仪器观测数据，专家组正在对二次涡振的成因进行调查。

2020年5月11日，据中国交通报发布 ，据专家分析，水马是虎门大桥涡振诱因，虎门大桥结构安全，相关抑振措施正在研究实施中。 2100433B