第八讲 涡激振动问题
风振及风振控制-涡振PPT幻灯片课件
生涡振的机率，增强了三维结构上的涡激力的相关性。
• 涡激振动是一种限幅振动，对结构的质量和阻尼较为敏感，当结构质量和阻尼均较小时，
涡激共振振幅可能很大。
• 涡激振动常发生在较低风速下，出现频度较高，易使结构构件产生疲劳破坏、人感不适、
成桥后的振动实例
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Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
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Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
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Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
• 1938.2 强烈西风 行走困难 桥梁摇晃
•
未作观测 渐渐忘却（Tacoma垮桥）
• 1941.2.1 瞬时风速27m/s 持续3小5m 竖向频率 0.125Hz
•
最大弯曲位置 L/4 振幅 60cm
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
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1.3.1 主梁涡振实例
成 桥 后 的 振 动 实 例
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Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.1 主梁涡振实例
1.2.1 涡激振动
•
风流经钝体结构时会在结构的两侧产生不对称的旋涡脱落，使结构表面受到周期性的
(文末附答案)人教版2022年八年级物理第九章压强知识总结例题
(每日一练)(文末附答案)人教版2022年八年级物理第九章压强知识总结例题单选题1、中国科学技术馆探索与发现A厅有个展品叫做“香蕉球”，描述的是足球比赛中罚任意球的场景。
守方在离球门一定距离处用人墙挡住球门，而攻方隔着人墙将足球以旋转的方式发出，利用足球的自旋使足球两侧空气流速不同形成压强差，使足球走出一条香蕉状的路径，绕过人墙而射门。
图给出了甲、乙、丙、丁四种足球自旋方向与飞行路径的示意图，下列说法正确的是（）A．乙、丙两图是正确的B．甲、丙两图是正确的C．甲、乙两图是正确的D．甲、丁两图是正确的2、下列说法符合实际的是（）A．1个标准大气压的值约为1.013×104PaB．大气压对手掌的压力约为10NC．1标准大气压最多能托起76cm高的水柱D．一个中学生双脚站立时对地面的压强接近1.6×104Pa3、甲乙两图分别是根据探究冰的熔化和水的沸腾实验数据绘制的图像根据图像信息，下列分析正确的是（）A．图甲：冰在BC段处于液态B．图甲：冰熔化的时间为10minC．图乙：水的沸点为98℃D．图乙：实验地点的大气压强高于1标准大气压4、如图所示，三个质量相同、底面积相同，但形状不同的容器放在水平桌面上，其内分别装有甲、乙、丙三种液体，它们的液面在同一水平面上，若容器对桌面的压强相等，则三种液体对容器底的压强（）A．一样大B．甲最小C．乙最小D．丙最小5、如图所示，甲、乙为两个实心均匀正方体，密度分别为ρ甲、ρ乙，它们对水平地面的压强相等。
若在两个正方体的上部，沿水平方向分别截去部分，使剩余部分高度相同，此时它们对地面的压力分别为F甲和F乙。
下列判断正确的是（）A．F甲=F乙，ρ甲>ρ乙B．F甲<F乙，ρ甲<ρ乙C．F甲>F乙，ρ甲<ρ乙D．F甲>F乙，ρ甲>ρ乙6、竖直放置一矿泉水瓶子，并在侧壁钻A、B、C、D四个一样大小的小孔，打开瓶盖，往瓶中注满水，水将从瓶孔喷出。
结构风工程讲义--涡激振动
结构风工程学习资料---涡激振动当风流经细长钝体时，会产生流动分离以及周期性的旋涡脱落，从而在钝体上下表面出现正负压力的交替变化，这种压力的交替变化形成作用于钝体的涡激气动力，在一定条件下，会引起结构在横风向或扭转方向发生涡激共振。
涡振是一种带有强迫和自激双重性质的风致限幅振动，是结构中一种常见的风致振动。
涡振虽不具有很强的破坏性质，但由于其发生风速较低，长时间持续的振动将会造成结构损伤或疲劳破坏。
对于高层建筑，涡振引起的加速度会影响人的居住。
对于桥梁，涡振会影响行车的舒适性和安全性。
研究涡振主要关心三个问题：涡振风速、涡振频率和振幅。
1.2 涡激振动研究简介达·芬奇通过对水流的深入地观察、深刻的理解涡的运动形态，第一次提出了“涡”（eddy）的概念（Frisch, 1995）。
他一生画了许多幅关于流体运动的画，如图所示。
达芬奇通过二维的静止画面将流动和涡的不定常、三维图画描绘的熠熠如生。
就象图中的老人观察到的，钝体后面总是有涡街。
此后的多位科学家均是在达·芬奇画作的启发下对流体展开的研究。
涡在流体绕钝体的流动中十分明显，其运动特性至今仍是流体力学研究的热点。
达芬奇关于涡的画作Strouhal在1878年率先对风声开展科学试验，图1-4所示为Strouhal旋转臂装置示意图，杆或张拉线M在框架A中绷紧，围绕柱体K转动。
控制轮S使M稳速旋转，采用Koenig听力计可测量声调。
Strouhal发现声调不依赖于杆或丝线张力、长度和材料，仅依赖于转动速度和杆的直径。
此外，他还观察到当涡脱频率被丝线自然频率锁定时丝线振动将会出现同步现象。
图1-4 Strouhal 旋转臂装置Strouhal 试验结果显示在一定条件下，气流流经固定的钝体时会脱落出交替的旋涡，其主频率f 可以由Strouhal 关系式得出：St UfD （1-1） 式中St 为Strouhal 数，D 代表物体的横风向尺寸，U 为浸没物体均匀流动的平均速度。
桥梁涡激振动及气动外形影响的数值模拟
桥梁涡激振动及气动外形影响的数值模拟桥梁作为连接两岸的重要交通工程，一直是工程学和运输学研究的热点之一。
其中，桥梁的涡激振动和气动外形影响是一个重要的研究方向。
本文将通过数值模拟的方法，从桥梁涡激振动和气动外形影响两个方面进行探讨，以期为桥梁工程提供理论依据和设计指导。
一、桥梁涡激振动的数值模拟涡激振动是指涡流在结构表面产生的振动现象，这种振动会给桥梁结构带来损害，并且会影响桥梁的安全性和使用寿命。
因此，研究桥梁涡激振动是十分必要的。
首先，我们需要建立桥梁的数值模型，包括桥梁的几何结构和材料性质等。
然后，我们需要在数值模型中考虑涡流对桥梁的作用，进而模拟涡激振动的发生和发展过程。
最后，我们可以通过数值模拟的结果，分析桥梁结构的受力情况，评估其抗涡激振动能力，并对其结构进行优化设计。
二、桥梁气动外形影响的数值模拟桥梁在风场中会受到风载的作用，而风载又受桥梁的外形影响。
因此，研究桥梁的气动外形影响也是十分重要的。
首先，我们需要对桥梁的气动外形进行数值模拟，考虑桥梁在风场中的受力情况。
然后，我们可以通过数值模拟的结果，评估桥梁的抗风能力，找出桥梁在风场中的薄弱环节，并对其结构进行合理的设计和改进。
三、桥梁涡激振动和气动外形影响的综合分析桥梁涡激振动和气动外形影响是相互联系、相互制约的。
因此，我们需要将两者进行综合分析，找出二者之间的内在联系，并对桥梁结构进行整体的设计和改进。
在进行综合分析时，我们需要对桥梁的数值模型进行整合，综合考虑涡激振动和气动外形的影响。
然后，我们可以通过数值模拟的结果，评估桥梁在风场中的受力情况，找出桥梁的薄弱环节，并提出相应的改进措施。
最终，我们可以得出桥梁在涡激振动和气动外形方面的优化设计方案。
四、结语桥梁涡激振动和气动外形影响的数值模拟是一个复杂而又重要的研究课题。
通过数值模拟，我们可以更加深入地了解桥梁的结构特性，并对其进行合理的设计和改进。
随着计算机技术的不断发展，数值模拟在桥梁工程中的应用将会更加广泛，为桥梁的设计和施工提供更加可靠的理论依据。
高等结构动力学答案
一、 简答1、 怎样从振动方程转化为状态方程？ 答：多自由度线性系统的振动方程Q Kq q C qM =++ （1） M ：质量矩阵，K ：刚度矩阵，C ：阻尼矩阵，Q ：广义力矢量Q M Kq M q C M q111---+--= （2） 令BQ AX X+= （3） （2）式即可用（3）式来表示：Q M q q C M IKM q q ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---11100 （4）I ：单位矩阵 即⎥⎦⎤⎢⎣⎡=q q X ，⎥⎦⎤⎢⎣⎡=q q X ，⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=--C M I K M A 110，⎥⎦⎤⎢⎣⎡=-10M B 于是，二阶的振动方程就转化为一阶的状态方程了。
2、 流致结构振动的特点？答：①流致结构是相互作用的两个系统，它们之间的相互作用是动态的，其实是一个流固耦合的反馈系统。
②流体力将两个系统联系在一起，流场使结构产生运动，而结构的运动也对流场产生影响。
而作用在结构单位长度上的流体力可以分解成升力和阻力。
③涡激振动中当结构的固有频率和旋涡的发放频率接近时，会产生很严重的垂直于来流方向的横向振动，使涡旋增强，尾流沿跨长的相关性增大，阻力增加，频率锁定和失谐。
④跳跃振动是结构物在均匀流场下产生的一种与来流方向垂直的横向自激振动，是由某些非流线型剖面结构本身的运动使实际的来流方向发生变化而引起的。
跳跃振动的频率与结构系统的固有频率相同。
3、 谱分析方法的含义？答：谱分析法，即由已知的海浪谱推求出作用于结构物上的波力谱，从而确定不同累计概率的波浪力的方法。
谱表征响应中各频率对整体响应能量的贡献。
在频域内描述随机振动，谱分析能够描述振动的频率结构，查明振动中包含哪些频率分量，以及哪些频率分量是主要的，频谱的峰值附近代表能量相对比较大的成分波。
谱函数以非随机函数的形式较全面地描述了随机载荷相对于频率的分布情况。
谱分析方法通过傅立叶变换可以把一个时域信号变换成频域信号，从而得到该信号两种等价的描述方式。
浅谈涡激共振及控制
浅谈涡激共振及控制作者：蔡素梅孙小惠来源：《卷宗》2016年第04期摘要：当漩涡脱落频率与结构自振频率接近时会发生结构涡激共振，这是结构风致振动中最常见的一种现象。
高宽比很大的超高层建筑、烟囱、桥梁等结构都有可能发生整体结构的涡振，也普遍发生于长细比大的构件如拉索、吊杆、拱桥立柱、格构式结构中。
当涡激振动的振幅超过规定限制，必须采取相应的措施解决。
涡激共振现象的主要研究手段是弹性悬挂节段模型风洞实验，而且模型比例应该尽可能大，这是因为涡激振动对结构外形极为敏感，且可能存在显著的雷诺数效应。
但是对涡振的研究仍然属于灰色系统。
在实际工程中，控制结构涡激共振的措施主要有结构措施、气动措施及机械措施等。
关键词：涡激振动；控制措施1 引言1940年美国中跨为853米Tacoma吊桥在八级大风中发生大幅扭转振动，70分钟后中跨加劲梁全部落入海中，这一事故给桥梁工程界造成巨大冲击的同时，也促进了桥梁风工程的发展与进步。
经过半个多世纪的努力，桥梁对风反应虽尚有不明之处，但已基本明确如下若结构非完全刚性，或具有弹性支撑，在空气动力的作用下，它将会产生振动。
但只要振动位移响应充分小，它就不会影响结构的漩涡脱落。
随风速的增加，结构漩涡脱落频率线性增加。
当结构的漩涡脱落频率与结构的某阶自振频率接近时，结构会发生明显的涡激共振现象。
结构涡激共振现象具有明显的气动弹性效应。
由于涡激共振是在低风速时发生，不可能将发振风速提高到设计风速之上，只能采取措施不使其发生或将其振幅限制在规定范围内。
在桥梁工程中，涡激振动虽不会直接带来桥梁的毁坏，但会带来桥梁功能障碍，人的不适感，构件的疲劳损伤，甚至可能诱发其他类型致命的动态不稳定现象。
所以，必须重视涡激共振的控制。
丹麦Great Belt East悬索桥和巴西Rio-Niteroi大桥等连续梁和连续刚构桥都发生了振幅较大的竖弯涡振。
拱肋的小幅涡振有时会激发吊杆的大幅振动，其振幅可达1m以上，这对桥梁的安全构成新的威胁。
风力发电机组 塔架涡激振动计算与减振
I. 前言风力发电已成为当今清洁能源的重要组成部分，风力发电机组作为其中的重要设备之一，其稳定运行对于整个风电场的效率和可靠性至关重要。
然而，风力发电机组在运行过程中可能会受到风载荷以及塔架结构自身的影响而产生涡激振动，这种振动会对风力发电机组的性能和寿命造成负面影响。
对塔架涡激振动的计算和减振技术的研究显得尤为重要。
II. 塔架涡激振动计算1. 塔架涡激振动的成因塔架涡激振动是指在风力发电机组运行过程中，由于风力与塔架结构之间的相互作用产生共振振动。
其中，风载荷对于塔架的作用是主要原因之一，而风的涡激效应又会进一步加剧振动的产生。
2. 塔架涡激振动的计算方法针对塔架涡激振动，目前常用的计算方法包括数值模拟和实验研究两种途径。
数值模拟通常采用计算流体力学（CFD）模拟风场对塔架的作用，以及有限元分析（FEA）模拟塔架的结构响应，从而得出振动情况。
而实验研究则是通过实际搭建塔架模型，采用风洞测试或者风力发电场实际数据的采集，来研究塔架涡激振动的情况。
III. 塔架涡激振动的减振技术1. 被动减振技术被动减振技术主要是通过在塔架结构上安装减振装置，来消除或减小风载荷和结构共振所引起的振动。
常见的被动减振技术包括阻尼器的应用、质量块的加装、以及振动吸收器等。
2. 主动减振技术主动减振技术采用控制系统对风力发电机组进行实时监测和调控，以减小涡激振动的影响。
主动减振技术常采用的手段包括振动控制系统、智能材料的应用以及振动补偿技术等。
IV. 结语风力发电机组的稳定运行对于提高风能利用效率和减小对环境的影响至关重要。
塔架涡激振动作为影响风力发电机组运行和寿命的重要因素，其计算与减振技术的研究具有重要意义。
通过对塔架涡激振动的深入研究和有效的减振技术的应用，能够提高风力发电机组的稳定性和可靠性，进一步推动清洁能源的发展和利用。
V. 国内外研究现状1. 国内研究现状在国内，关于风力发电机组塔架涡激振动的研究已经取得了一定的进展。
流致振动原因
流致振动原因流致振动，也被称为涡激振动，是一种机械系统中常见的不稳定振动现象。
当流体通过某一结构或设备时，由于流体与结构的相互作用，会引起结构的振动，从而产生流致振动。
本文将通过对流致振动的原因进行深入剖析，并提供对这一现象的观点和理解。
1. 流体激励流体激励是引起流致振动的主要原因之一。
当流体通过结构时，会在结构表面产生压力波动，这些波动会作用在结构上，引起结构产生振动。
流体激励的强度和频率取决于流体的速度、密度和粘度等参数，以及结构的几何形状和表面特性等因素。
2. 自激共振自激共振是流致振动的另一个重要原因。
当结构的固有振动频率与流体激励频率接近时，就会发生自激共振现象。
在这种情况下，流体激励与结构的振动相互放大，并形成不稳定的振动模式。
自激共振的产生需要满足一定的共振条件，包括结构的固有频率、流体激励频率和结构的阻尼等因素。
3. 气动力失稳气动力失稳是导致流致振动的另一个重要机理。
当流体通过结构时，会产生气动力作用在结构表面上。
由于流动的非线性特性和结构的非线性耦合效应，气动力可能会发生失稳，从而引起结构的振动。
气动力失稳的发生主要取决于流体的速度、密度和粘度等参数，以及结构表面的形状和光滑度等因素。
4. 涡激共振涡激共振是流致振动的一种特殊形式，通常发生在边界层或尾迹处。
当流体通过结构时，会在结构背后形成涡流，这些涡流会作用在结构上，产生振动。
涡激共振的发生需要满足一定的共振条件，包括涡流的频率、结构的固有频率和流体的速度等因素。
流致振动的原因主要包括流体激励、自激共振、气动力失稳和涡激共振等。
这些原因之间相互关联，共同作用，导致结构产生不稳定的振动。
了解流致振动的原因有助于我们对振动现象的预测和控制，从而提高结构的稳定性和可靠性。
对于流致振动这一现象，我认为需要重视振动控制的手段和方法。
通过对流体运动的控制，可以减小或消除流体激励，从而降低流致振动的强度和影响。
结构的优化设计和材料的选择也是减小流致振动的重要手段。
绕流与低雷诺数涡激振动
精彩摘录
“随着科技的发展，对绕流和涡激振动的研究也在不断深入。研究者们正在 努力探索更高效的数值模拟方法、实验技术和数据分析技术，以更好地理解和解 决实际工程问题。”
精彩摘录
“尽管绕流和涡激振动是一个复杂的流体动力学问题，但通过深入研究和不 断探索，我们有望在未来更好地解决这些问题，为人类社会的发展做出更大的贡 献。”
精彩摘录
“涡激振动是一种常见的流体动力学现象，尤其是在低雷诺数条件下。这种 振动会导致结构疲劳、振动幅度增大，甚至导致结构破坏。”
精彩摘录
“绕流现象是流体力学中的一个基本问题。当流体流过一个障碍物时，流体 会发生分离，形成绕流。这些绕流的流动特征和行为对许多工程应用都有重要影 响。”
精彩摘录
“理解绕流和涡激振动的基本原理是解决许多工程问题的关键。这些原理不 仅应用于航空航天、船舶和汽车等领域，还可以应用于能源、环境和建筑等领 域。”
精彩摘录
精彩摘录
在《绕流与低雷诺数涡激振动》这本书中，有许多引人入胜的精彩摘录，它 们揭示了流体动力学中绕流和涡激振动的基本原理和现象。以下是一些值得的摘 录：
精彩摘录
“当流体流过一个物体时，流体会在物体后面形成涡旋。这些涡旋会导致物 体受到一个与流速方向相反的力，称为阻力。在低雷诺数条件下，这种阻力特别 显著，可以引发涡激振动。”
阅读感受
这本书不仅让我对流体动力学有了更深入的了解，还启发了我对相关领域的 探索欲望。我开始思考如何将这些理论知识应用到实际问题中去，如何解决实际 工程中遇到的绕流和涡激振动问题。书中所涉及的数学模型和分析方法也为我提 供了解决问题的新思路。
阅读感受
《绕流与低雷诺数涡激振动》是一本非常值得一读的书籍。它不仅有助于我 们深入理解流体动力学的基本原理，还能启发我们在实际工程中的应用创新。对 于我而言，这本书不仅仅是一次学习的经历，更是一次思维的启迪和升华。我强 烈推荐大家阅读这本书，相信它能为大家带来无尽的启示和收获。
海洋立管的涡激振动模型预测方法
海洋立管的涡激振动模型预测方法海洋立管是指将管道固定在海洋底部，将一端延伸至水面上，用于将海底的油气输送至陆地。
在海洋环境中，海洋立管会面临涡激振动的问题。
涡激振动是指当液体通过一个障碍物或管道时，会引发涡旋的形成，这些涡旋会对管道产生振动，对海洋立管的安全运营造成威胁。
为了预测海洋立管的涡激振动模型，需要分析流体动力学、结构动力学和海洋环境等多个因素。
下面将介绍一种基于计算流体动力学（CFD）模拟和实验验证的预测方法，该方法已被广泛应用于海洋结构的振动和力学分析中。
首先，通过CFD模拟，将海洋立管的周围流场进行建模和求解。
CFD模拟基于Navier-Stokes方程组，采用有限体积或有限元方法进行数值离散，可以求解流场中的速度、压力等物理量。
模拟过程中需要考虑海水的黏性、密度、温度等参数，并使用湍流模型来模拟湍流效应。
可以通过改变流场中的流速、复杂地形和海洋环境等参数，对涡激振动进行数值模拟。
在进行CFD模拟后，需要对模拟结果进行验证。
通过在实验室中进行小尺寸模型试验，可以测量模型在不同流速下的涡激振动情况。
实验中通常使用压力传感器、位移传感器和加速度计等仪器来监测振动数据。
同时，还可以利用高速摄影技术来观察涡旋的形成和演化过程。
实验数据可以用于验证CFD模拟结果的准确性和可靠性。
根据CFD模拟和实验验证的结果，可以建立海洋立管的涡激振动模型。
通过统计分析涡激振动的特征参数，如振动幅值、频率谱等，可以得到海洋立管在不同流速下的振动特性。
然后，可以利用建立的模型对其他海洋立管进行涡激振动的预测。
此外，为了进一步提高预测的准确性，还可以考虑其他影响因素。
例如，可以将海洋立管的柔度、弹性特性和支撑方式纳入模型中，探究它们对涡激振动的影响。
还可以结合海洋环境条件的变化，如波浪、水流激励等，对涡激振动模型进行修正。
总之，海洋立管的涡激振动模型预测方法基于CFD模拟和实验验证，通过对流场流速和结构振动的分析，可以预测海洋立管在不同流速情况下的涡激振动特性。
深海立管涡激振动预报模型及影响因素
深海立管涡激振动预报模型及影响因素唐友刚;青兆熹;张杰;王宾【摘要】涡激振动是立管发生破坏的主要原因之一,深海立管自重大、柔度高、顶部张力集中等会导致出现新的动力特性.为预报深海立管涡激振动并揭示其动力特性,考虑立管自重影响及线性剪切流,本文建立立管涡激振动方程,基于Van der Pol 尾流振子模型,采用有限差分法计算立管的振动响应,并设计涡激振动试验进行验证,最后研究流速及顶张力对立管涡激振动的影响.结果表明:流速越大,立管涡激振动频率越高,振动应力越大;同等流速下,顶张力越大,立管涡激振动主频率变化不大,但振动位移增大,振动应力减小.%Vortex-induced vibration (VIV) is one of the main causes of the destruction of marine risers.The dynamic VIV characteristics of deepwater risers may include their large self-weight, high flexibility, and the stress concentration caused by top tension, among others.In order to predict the VIV of deepwater risers and determine their dynamic characteristics, we established a governing equation of VIV in risers that takes into account the self-weight and linear shear flow.We used the finite difference method to calculate the dynamic response of a riser, based on Van der Pol wake-oscillator model.We then conducted a VIV experiment to verify the prediction model.In this study, we discuss the effects of flow velocity and top tension on the VIV of deepwater risers.Our study results show that the vibration frequency and vibration stress of a riser increases, as the flow velocity increases.Under the same flow conditions, the vibration displacement of a riser increases and the vibration stress decreases as thetop tension increases.The dominant frequency of a riser is hardly influenced at all by the top tension.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】6页(P338-343)【关键词】深海立管;涡激振动;预报模型;试验;振动响应;尾流振子模型【作者】唐友刚;青兆熹;张杰;王宾【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;上海海事大学海洋科学与工程学院,上海 201306;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072【正文语种】中文【中图分类】TE58;TU311.3海流经过立管时，在立管下游产生尾流和漩涡，周期发放的漩涡对立管产生垂直于流向的涡激升力，引起立管的涡激振动，涡激振动是立管发生破坏的关键因素之一[1]。
涡激振动
涡激振动
内容
从流体的角度来分析，任何非流线型物体， 从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一 定的恒定流速下， 定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱 离结构物表面的旋涡。 离结构物表面的旋涡。对于海洋工程上普遍采用 的圆柱形断面结构物， 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， 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， 体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱 管体)的周期性振动 体(管体 的周期性振动，这种规律性的柱状体振 管体 的周期性振动， 动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。 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“ 流体一结构物相互作用的问题被称作“涡激振 动”。
研究方法
• 半经验方法 半经验公式主要有尾流阵子，单自由度模型， 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。 体力组分模型。
研究方法
流固耦合数值计算软件 • • • • Ansys+CFX Fluent+Abaqus Adina COMSOL Multiphysics(FEMLAB)
涡激振动概述
由惯性耦合产生附连质量， 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， 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、 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、 于流场的流动特征参量（诸如流速、水深、流量 ）、边界条件以及弹性系统的特性 边界条件以及弹性系统的特性， 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， 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。 是水弹性问题研究中的重要课题。
涡激振动 ppt课件
研究方法
半经验方法 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。
研究方法
流固耦合数值计算软件
Ansys+CFX Fluent+Abaqus Adina
通过以上方法进行研究，我们基 本就可以做到“最摇摆”了 O(∩_∩)O~~
COMSOL Multiphysics(FEMLAB)
塔
形
钻井平台的基座
建
筑
海底缆绳
涡激振动这种现象难道只有坏处没有好处吗？《老子》讲 “水善利万物而不争”难道是假的吗？当然不是假的，还 真有动物是靠涡激振动活的，就像海豹。
鱼在水中游泳，不断地滑动，产生特定频率的扰流。显然，鲨 鱼和金鱼肯定不在一个频道上，每个鱼一种不串台。海豹的胡 须（见顶端题图）就是一个探测器，对其食物鱼种的频率特别 敏感，敏感的原因就是胡须的共振频率与该鱼的尾迹频率接近。 所以给海豹刮了胡子，它就饿死了；同样也可以通过制造这种 频率来吸引海豹。
谢谢！
涡激振动
涡激振动
风的振动
按响应的性质来看
抖振 涡激振动 自激振动
驰振 颤振
李白今天心情不爽，掏出随身携带 的管制刀具砍水，砍完之后还是不 爽，把刀往水里一插，开始思考人 生。
然后机智的李白发现，刀插进水里， 水流不仅没有放缓，反而更加湍急 了，于是他写下了“抽刀断水水更 流”。
这是一个钝体绕流问题。如上图，在边缘（刀刃）处水拐 不了那么大弯继续向前，并且由于受到压缩速度变快了， 这就与钝体下游原本的流场形成了剪切层（shear laye桥 （Tacoma Narrows Bridge），非 常有名，它有名是因为它塌了。 塌的原因就是那天的风很邪乎， 吹出来的泄涡频率跟桥的结构频 率正好差不多，共振，毁了。 所以这个涡激振动，是个重点防 范对象。
涡激振动 PPT
当漩涡脱离固体的时候，由于非对称性，固体将受到侧向力。涡街 是有规律的周期性现象，也就是说漩涡的形成和这个侧向力的作用， 是具有一定频率的。而固体结构本身也有自然频率，当这两个频率 接近时即发生共振（resonance）。
固体在流体漩涡作用下而产生的振动，称为涡激振动（Vortex Induced Vibration），简称VIV
涡激振动的概念
从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流 速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。 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”。
就是便宜。因为最贵最麻烦的传动系统没有了，而且传动
系统也是最容易坏最需要维护的部件。能量的来源就是漩
涡产生的振动机械能，再通过底座的转换器变为电能。根
据其官网数据，可以节省近半甚至更高的成本
（然而他们目前还在融资阶
段，所以这些数字都不能尽
信。）
当然从单机效率上势必也要
低于传统叶片驱动式风机，
不过因为少了叶片，使得此
类风机可以布置的更加密集，
也算是一种补偿。如此，避
之不及的涡激振动现象，就
变成了生产力，岂非“反者
第八讲 涡激振动问题
( ) m
&y& + 2ξω1 y& + ω12 y
=
1 2
ρU
2 (2D )⎢⎡Y1(K
⎣
)⎜⎜⎝⎛1 −
ε
y2 D2
⎟⎟⎠⎞
y& D
+
Y2 (K
)
y D
+
1 2
CL
(K
)sin
(ωt
+
φ
)⎥⎦⎤
∫T 0
⎡
⎢2mξω
⎣
−
ρUDY1⎜⎜⎝⎛1 − ε
y2 D2
⎟⎟⎠⎞⎥⎦⎤ y& 2dt
=
0
y0 =
fS w ( f
σ
2 w
)
=
f
ν
/ fv
π
⋅ exp ⎪⎨⎧− ⎪⎩
⎡1− ( f
⎢⎣ ν
/
f
v
)⎤
⎥⎦
2
⎪⎫ ⎬ ⎪⎭
严格正弦曲线: 近似计算公式:
ν ν
= =
2σ
0.1 +
u2/σUU
U
适用频率范围: fv (1−ν ) ≤ f ≤ fv (1+ν )
z(6) 涡振广义力谱:
hh
∫ ∫ SQi ( f ) =
K
2 1
−
ρD 2 m
Y2 (K 1 )
γ
=
1 2K0
⎡ ⎢
2
ξ
K
1
⎣
−
ρD 2 m
Y1 (K 1 )⎥⎤
⎦
(O. M. Griffin et al. ,1976)
(E. Simiu & R.H. Scanlan, 1985)
关于二维平面圆柱涡激振动的数值模拟
关于二维平面圆柱涡激振动的数值模拟唐照评;王微微;杜远征【摘要】利用有限元软件Adina建立平面二维圆柱绕流的数值模型,模拟低雷诺数条件下流体与圆柱间的涡激振动.随着流速加大,圆柱振动经历非锁定—锁定一脱离锁定的过程,由于锁定形态下圆柱振动与尾涡脱落引起的流体力形成共振,使圆柱的振幅增大.仅考虑圆柱顺流向振动时,横流向振幅略有增加;同时考虑圆柱在平面内的旋转和顺流向振动时,横流向振幅显著增加、锁定区间加宽,且质量比越低变化就越明显.【期刊名称】《港工技术》【年(卷),期】2013(050)004【总页数】4页(P20-23)【关键词】圆柱绕流;涡激振动;Adina;平面内旋转;顺流向振动【作者】唐照评;王微微;杜远征【作者单位】中交第三航务工程勘察设计院有限公,上海200032;天津大学建筑工程学院天津市港口与海洋工程重点实验室,天津300072;黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003【正文语种】中文【中图分类】TB126对于海洋工程中普遍采用的圆形结构物，在一定的流速条件下，在物体背流面两侧会产生交替脱离物体表面的旋涡，结构物因而受到周期性变化的流体力作用，在平面内形成扭转力矩。
对于柔性结构物或弹性支撑的刚性结构物，周期变化的流体力（矩）将引发结构物的周期性振动，结构物的周期性振动反过来又会改变尾涡的泻放形态，进而改变流体力（矩）。
这种由尾涡泻放引起的流体与结构物的相互作用称为涡激振动。
目前，涡激振动机理研究的热点之一是结构物顺流向振动对其横流向振动的影响程度，传统观点认为结构物顺流向的振幅要比横流向振幅至少小1个数量级，因此，在大部分涡激振动研究中忽略结构物的顺流向振动[1-7]。
Anagnos⁃toplulos和Beaman采用实验方法研究低雷诺数条件下圆柱的涡激振动特性，获得的锁定区域为Re=106～126[8]；赵刘群等学者选用与文献[8]的试验参数，采用ALE方法针对Re=90～150情况下的圆柱涡激振动进行二维有限元模拟，并与文献[8]中的实验结果进行比较分析[9]。
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
第38卷第2期2024年3月山东理工大学学报(自然科学版)Journal of Shandong University of Technology(Natural Science Edition)Vol.38No.2Mar.2024收稿日期:20230210基金项目:山东省自然科学基金项目(ZR2020ME269);山东省海洋工程重点实验室开放基金项目(KLOE202005);山东省重点研发计划项目(2019GHY112076)第一作者:王春光,男,cgwang@;通信作者:郑润,男,408463461@文章编号:1672-6197(2024)02-0001-07海洋立管涡激振动的基本理论㊁研究方法㊁影响因素及抑振方式的研究综述王春光1,2,郑润1,李明蕾1,何文涛2,3(1.山东理工大学建筑工程与空间信息学院山东淄博255049;2.山东省海洋工程重点实验室,山东青岛266100;3.中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)摘要: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㊂本文从海洋立管涡激振动的基本理论㊁海洋立管涡激振动研究方法的发展㊁影响涡激振动的相关因素㊁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㊂由前人工作可知,海洋立管涡激振动研究经历了试验研究㊁理论模型分析㊁计算流体力学方法的应用等多个阶段,而顶张力㊁洋流㊁波浪㊁支承条件㊁长细比㊁材料以及内流等均显著影响其涡激振动特征㊂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㊂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㊁故障发现以及主动控制的集中化㊁智能化系统㊂关键词:海洋立管;涡激振动;影响因素;涡激振动抑制中图分类号:P756.2文献标志码:AThe basic theory ,research methods ,affecting factors and suppression approaches of the vortex-induced vibration of marine risers :A reivewWANG Chunguang 1,2,ZHENG Run 1,LI Minglei 1,HE Wentao 2,3(1.School of Architectural Engineering and Spatial Information,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering,Qingdao 266100,China;3.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)Abstract :Marine riser is an important part of offshore oil and gas exploitation platform,and the research of vortex-induced vibration is an important research field to ensure its working situation.This paper re-views the related research of marine riser vortex-induced vibration in four aspects:the basic theory of ma-rine riser vortex-induced vibration,the history of research methods for marine riser vortex-induced vibra-tion,the relevant factors affecting vortex-induced vibration,and the monitoring and suppression methods of vortex-induced vibration.The researches on vortex-induced vibration of offshore risers have gone through stages such as experimental research,theoretical model analysis,application of computationalfluid dynamics methods.The top tension,ocean current,wave,support conditions,slenderness ratio,material and internal flow significantly affect its vortex-induced vibration characteristics.In order to㊀ensure the normal work of the riser under the condition of vortex-induced vibration,its vibration suppres-sion researches have developed from passive vibration suppression to active vibration suppression,and then to the use of advanced monitoring and prediction methods to take specialized vibration suppression methods on time.In the future,the marine riser monitoring and control system is foreseen to evolve into a centralized and intelligent system that uses information acquisition and processing system and combines active control technology to realize the monitoring of the working status,fault detection and active control for the marine risers.Keywords :marine riser;vortex induced vibration;influence factor;vortex-induced vibration suppression ㊀㊀自2021年以来,国际原油价格出现大幅上涨[1]㊂新冠疫情作为笼罩在全球经济发展上面的乌云开始散去,但经济复苏基础依然薄弱㊂被称为 工业血液 的石油是发展工业的重要动力,也是发展经济的重要资源㊂目前,陆地上的石油资源短缺的问题日益严重,据估算,地球上未被开采的海上石油储量的90%是在超过1000m 水深的海底地层下[2],而中国海岸线绵延辽阔,深海面积十分广阔,海上油气资源丰富,通过加快海洋油㊁气开发,中国必将逐步摆脱油气资源对外依赖㊂中国海洋石油勘探开发从沿海一隅到沿海集群作业,油气开发作业水深从100m 到如今的超3000m,海洋装备从最初的1艘钻井船发展到现在的61座钻井平台,实现了每年的海上原油产量从95000t 到48640000t 的跨越㊂特别是十八大以来,深水钻井平台 海洋石油982 ㊁海上移动式试采平台 海洋石油162 (图1)相继试验成功㊂中国的海洋油气勘探与开发进入了一个快速发展期,我们也提出了 走向深蓝 的战略口号,促进了海洋资源开发相关领域的研究㊂图1㊀ 海洋石油162 号无论采用何种海洋资源开采平台,海洋立管均是不可或缺的结构物,而80%的深水油气事故与立管的疲劳损伤相关㊂立管的疲劳损伤主要是由外部环境与立管相互作用而产生的涡激振动所引起[3-4],因此在海洋工程领域,开展了大量的复杂海况下海洋立管涡激振动影响因素及抑振方式的研究㊂1㊀海洋立管涡激振动的基本理论海洋立管作为海洋油气开发从海底将油气输送到海面平台的重要通道,是海洋油气开发的重要组成构件㊂海洋立管在洋流作用下,在立管两侧尾流区发生交替泄涡,漩涡的生成和泄放相关联,立管受到横流向及顺流向的脉动水压力作用后将引发振动㊂在海流引发交替泄涡导致立管振动的同时,立管振动反过来又会影响海流的尾流结构,进而改变立管上的脉动水压力分布,这便是海洋立管的涡激振动现象(VIV)㊂涡激振动将导致立管疲劳破坏,不仅影响工程进展,而且可能产生严重的环境灾害,因此受到各国学者的广泛重视㊂海洋立管的涡激振动源于Von Kármán 发现的涡街效应[5],其受力原理和数值模拟如图2及图3所示㊂图2㊀立管在涡街作用下受力示意图图3㊀数值模拟卡门涡街[6]2山东理工大学学报(自然科学版)2024年㊀对圆柱体绕流,交替脱落的单个漩涡的脱落频率f与绕流流体的速度v成正比,与立管直径d成反比,即得公式(1)[7]:f=Sr(v/d),(1)式中Sr是斯特劳哈尔数㊂斯特劳哈尔数主要与雷诺数有关㊂雷诺数的物理意义是惯性力与黏性力的比值㊂Re=ρVLˑVLμˑVL =ρL3㊃(V2/L)μ(V/L)㊃L2=ma(惯性力)τA(粘性力),(2)通过公式(2)的变形就可以直观的得出雷诺数Re 的物理意义,雷诺数越小液体粘滞力影响大于惯性的影响,雷诺数越大液体惯性影响大于黏滞力的影响㊂当雷诺数数值达到300~3ˑ105时,斯特劳哈尔数数值近似于常数值(0.21);当雷诺数数值达到3ˑ105~3ˑ106时,有规律的漩涡脱落现象便不再存在;当雷诺数数值大于3ˑ106时,卡门涡街又会出现,这时斯特劳哈尔数约为0.27[8](图4)㊂图4㊀不同雷诺数液体绕柱流动状态当涡激振动的频率与物体的固有频率相接近,就会引起共振,甚至使物体损坏㊂除了雷诺数会影响涡激振动的出现外,圆柱体的质量比也会影响相同来流下涡激振动的振幅大小[9-10],影响涡激振动对立管损伤的程度㊂当来流冲击立管圆柱体产生涡激振动后,会使立管在顺流向和横流向两个方向因为受力而产生震动,这两个方向上的力的大小可利用公式(3)[11]计算:F x=12C dρDU2,F y=12C lρDU2,(3)式中:F x㊁F y分别为立管受到的阻力和升力,D为圆柱直径,ρ为流体密度,C d㊁C l分别为阻力系数和升力系数,U为流体速度㊂由此可见,相关研究需记录涡激振动作用下立管顺流向㊁横流向两个方向上的相关数据(图5)㊂图5㊀双向受力监测2㊀海洋立管涡激振动研究方法的发展自卡门涡街现象被发现以来,海洋立管的涡激振动研究经历了从实验研究㊁理论模型分析㊁计算流体力学方法的应用等多个阶段㊂首先Feng通过圆柱体风洞试验验证了横向振动为主要振动的涡激振动的存在,Ferguson等[12]通过使用声学液位压力传感器的原始设计,发现了圆柱体漩涡激发振荡的表面和尾流现象㊂自此之后以海洋立管为代表的圆柱体的涡激振动特征研究不断通过水槽(水池)模型试验得以完成[5,7]㊂实验研究之外,各国学者还提出了经验模型以求解立管的涡激振动问题㊂首先,Hartlen等[8]开创性地建立了尾流振子模型的数学表达式;随后,各国学者通过数十年的努力和研究对尾流振子模型不断地进行改进和发展㊂Skop 等[11,13]对此尾流振子模型进行扩展,将其应用到柔性细长柱体的涡激振动研究中㊂Kim等[14]以及Facchinetti等[15]则对此进行了进一步的修正和改进㊂而郭海燕等[16]则考虑了立管内流对立管涡激振动的影响㊂近年来,随着计算和存储技术的发展,越来越多的人开始转向利用计算流体动力学(CFD)技术解决VIV问题㊂通常CFD模型可以分为四类:离散涡方法(DVM),雷诺平均N-S方程(RANS)方法,大涡模拟(LES)方法以及N-S方程直接模拟(DNS)方法㊂3㊀影响涡激振动的相关因素在海洋油气开发过程中,海洋立管从海底输送到海面的混合体成分包括油㊁气㊁水以及沙石等等,是复杂的混合物,在超长立管管道内输送由于内外3第2期㊀㊀㊀㊀㊀王春光,等:海洋立管涡激振动的基本理论㊁研究方法㊁影响因素及抑振方式的研究综述流耦合作用下造成明显的周期性和压力波动特性的不稳定现象,以至于引起立管的振动[17-18]㊂为研究立管涡激振动的影响,考虑多因素影响的预测模型[3]以及考虑海洋环境参数的涡激振动特征研究[19]是必不可少的㊂图6展示了海洋立管配置情况,由此可见,海洋立管系统复杂多变,需考虑的设计参数及环境因素多样㊂图6㊀水下海洋立管配置[20]现在关于海洋立管的涡激振动研究正从之前的单因素研究发展到现如今的多因素研究㊂使海洋立管产生涡激振动的主要原因包括立管本身的材料特性㊁洋流流速㊁顶部张力㊁边界条件以及波浪等㊂葛士权等[21]通过利用ANSYS 软件进行了多因素影响下的海洋立管涡激振动的三维计算流体动力学模拟(图7)㊂大长细比是实际工程中很明显的一个特点,Wang 等[22]针对大长细比立管模型在洋流作用下的涡激振动响应进行了实验研究㊂关于顶张力对立管在涡激振动中频率的影响方面,Yang [23]通过实验得出预张力的增加,组合激励下的顶部张紧提升管(TTR)的不稳定性会被抑制,但抑制效果的提升与预张力增加不成比例㊂李文华等[24]将立管简化为典型的Euler-Bernoulli 弹性梁模型,根据传递矩阵理论得出表观重力和立管内外侧压力差引起的海洋立管轴向拉力的变化可影响立管本身固有频率的结论㊂张永波等[25]研究了顶张力对立管涡激振动的影响㊂柳军等[26]通过实验得出结论,在均匀流速条件下,立管的振动频率在顺流向条件下是横流向条件下的两倍,因此两个方向的影响相差不大,应该同时考虑两个方向的影响㊂殷布泽等[27]通过总结过往的海洋立管涡激振动实验提出要更加注重波浪对于海洋立管涡激振动的影响㊂李莹等[28]针对边界条件进行研究,对立杆端部应用铰接固接两种边界支座进行研究,发现其他参数相同时,两端铰接时立管的震动幅度大于立管两端固接时的震动幅度,Gao 等[29]通过数值分析的方式研究得出在一定范围内立管长细比(L /D)越小,不同边界条件下的VIV 位移差异越大㊂巫志文等[30]的研究中考虑建立随机波浪和涡流激励联合作用下海洋立管动力响应的数学分析模型,通过此模型进行随机波浪对立管涡激振动的影响进行研究㊂Wang 等[31]进行了多因素实验,研究了立管材料㊁流速㊁顶张力和边界条件几个因素综合对立杆涡激振动的影响,但是并没有结合波浪的影响(表1)㊂图7㊀数值模拟海洋立管变形情况[21]表1㊀Wang 等进行多因素实验的工况[31]4山东理工大学学报(自然科学版)2024年㊀㊀㊀通过结合新的实验方法[32],崔阳阳等[33]进行了多参数耦合作用下的海洋立管涡激振动实验,并基于灰色理论[34]实现了影响因素重要性排序,但该实验并没有考虑周期性波浪对于海洋立管涡激振动的影响㊂4㊀涡激振动的监测和抑制方法为抑制海洋立管由涡激振动引起的疲劳损伤,学者们在涡激振动抑制方面展开了广泛的研究㊂Rodriguez [35]通过改变物体形状和尾翼形状设计进行实验,探究形状对涡激振动的影响,但此实验的实验对象与环境模拟与海洋立管相差很大(图8)㊂图8㊀Rodriguez 实验试件与实验效果[35]Owen 等[36]进行了圆形柱体在不同雷诺数范围的涡激振动实验,并发现施加质量块后涡激振动可减少47%㊂娄敏等[37]通过实验发现在锁振状态下,通过敲击立管打破流体与结构之间的耦合关系可以达到抑制涡激振动的效果㊂王海青等[38]提出了在立管外部构造三种不同形状来达到抑制涡激振动的效果并进行了实验㊂Gao 等[29]分析模拟得出对于具有小长径比的圆柱体,不同边界条件下的VIV 位移存在明显差异㊂吴仕鹏等[39]通过在立管外添加螺旋板来研究其对于涡激振动的抑制效果,结果表明在高雷诺数来流情况下该装置能大幅降低立管疲劳风险㊂娄敏等[40]采用仙人掌形状截面的立管,通过数值分析得出在约化速度4~8范围能降低横顺两方向的振动幅值㊂李子丰等[41]采用羽翼状外包进行实验研究,发现加装该结构能有效减少圆柱后涡旋的产生㊂翟云贺等[42]提出一种双组双螺旋的装置,实验表明在当来流为对称流时,双组双螺旋装置能有效抑制涡激振动㊂沙勇等[43]通过实验对螺旋列板的几何参数对于涡激振动影响进行研究,为以后的相关研究提供了宝贵数据(图9)㊂齐娟娟等[44]提出了一种口型截面的三螺头螺旋导板,并进行了风洞试验,实验得出该装置对于大质量阻尼比圆柱有较好的抑制涡激振动的效果(图10)㊂睢娟等[45]利用外包毛绒进行风洞试验,得出绒毛长度增加,抑制效果越好的结论㊂王伟等[46]提出一种安装旋翼的方案,通过数值模拟得出随着旋翼旋转速度增加立管振幅减小㊂周阳等[47]利用带螺旋侧板的立管模型进行试验,结果表明该装置能够扰乱尾流涡旋,抑制涡激振动㊂图9㊀含有保温层的立管螺旋列板的横截面[43]图10㊀试验模型安装及螺旋导板模型结构示意图[44]除了通过改变立管外包形状进行被动抑制,近些年也有学者提出通过主动对立管施加作用来进行主动抑制㊂Yang 等[23]通过实验得出通过增加顶张力可以对涡激振动进行抑制,但抑制效果与力的增加成非线性关系㊂Wang 等[48]利用雷诺数为100的合成射流进行涡激振动的抑制㊂Chen 等[49]提出利用吸流法进行涡激振动的抑制㊂赵瑞等[50]提出通过施加端部激励来进行涡激振动的抑制,实验结果表明,频率比较小时,轴向力激励能降低涡激振动位移㊂Zhang 等[51]针对具有顶部张力的柔性船舶立管系统控制立管振动进行研究,实验表明在适当的参数选择下系统具有良好性能㊂随着信息技术的发展,将计算机信息技术与实际工程结合成为近年学者们研究的方向,Wong 等[52]提出可以利用神经网5第2期㊀㊀㊀㊀㊀王春光,等:海洋立管涡激振动的基本理论㊁研究方法㊁影响因素及抑振方式的研究综述络结合使用Matlab 中的LHS 技术预测TTR 短期涡激振动疲劳损伤的简化方法㊂高喜峰等[53]提出要利用BP 神经网络预报柔性立管涡激振动横流向及顺流向位移和频率响应,随后Yu 等[54]以及Yan 等[55]利用了基于自适应神经网络的边界控制方法,以预测振动风险,从而及时采取对应抑振措施(图11)㊂图11㊀BP 神经网络结构5㊀结束语开发海洋油气资源已经成为中国缓解油气对外依赖的重要途径,而海洋立管作为海洋资源开发平台中不可或缺的重要组成部分,其涡激振动导致的疲劳破坏是重点研究和关注的领域㊂本文从海洋立管涡激振动的基本理论㊁海洋立管涡激振动研究方法的发展㊁影响涡激振动的相关因素㊁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,由综述可知:1)海洋立管的涡激振动研究方法经历了试验现象研究到理论与经验公式创建再到借助高性能计算机的计算流体力学研究的发展;同时,可以发现影响海洋立管涡激振动特征的因素包括顶部张力㊁海洋洋流(流速㊁流向等)㊁波浪特征(波高㊁周期等)㊁支承条件㊁立管长细比㊁立管材料以及内流的影响等㊂2)对于海洋立管涡激振动特征的研究正由单因素研究向多因素耦合研究发展,但目前多因素耦合作用下的相关研究仍显不足㊂为了更加贴合实际工程,实现更安全㊁更高效的海洋油气的开发,多因素耦合作用下的海洋立管涡激振动研究将是未来研究的重要方向之一㊂3)在海洋立管涡激振动抑制方法的研究中,研究者们发现改变立管质量㊁破除耦合关系㊁改变立管及其附加物形状㊁引入主动抑振手段等均可有效改善立管的涡激振动现象,其抑振研究经历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㊂4)随着信息技术的发展,海洋立管监测控制系统将发展为利用信息采集及处理平台,结合主动控制技术实现其工作状态监测㊁故障发现以及主动控制的集中化㊁智能化系统㊂参考文献:[1]IEA.Oil 2021:Analysis and forecast to 2026[R].Paris:Interna-tional Energy Agency,2021.[2]IEA.Offshore energy outlook[R].Paris:International Energy A-gency,2018.[3]LIU G,LI H,QIU Z,et al.A mini review of recent progress on vor-tex-induced vibrations of marine risers [J].Ocean 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涡激运动拖曳力系数放大效应
涡激运动拖曳力系数放大效应嘿，朋友！您听说过涡激运动拖曳力系数放大效应吗？这可真是个有点复杂但又超级有趣的概念！咱们先来说说什么是涡激运动。
您就想象一下，水流或者风流经过一个物体的时候，会在物体周围形成一圈一圈的漩涡，就像小旋风一样。
这些漩涡可不是随便转转的，它们会对物体产生作用，让物体开始晃动。
那拖曳力又是什么呢？简单说，就是水流或者风流对物体的拉力或者推力，就好像有人在后面拽着或者推着这个物体走。
现在重点来了，涡激运动拖曳力系数放大效应！这就好比是本来只是轻轻推您一下，结果这推力突然变得超级大，把您推得老远。
比如说，一根细细的柱子在水里，正常情况下水流对它的拖曳力可能不大，但是一旦出现涡激运动，并且产生了这个放大效应，那拖曳力可能会一下子增加好多倍！您想想看，要是建一座大桥，桥柱子在水里承受着水流的冲击。
要是没考虑到这个放大效应，那桥柱子可能就会在水流的作用下变得摇摇晃晃，多危险啊！这可不是闹着玩的，桥要是不稳，那过往的车辆和行人怎么办？再比如说，海上的石油钻井平台。
那可是在大海里呢，海浪和海风的力量可大了。
如果不把涡激运动拖曳力系数放大效应考虑进去，钻井平台说不定哪天就出问题了，那损失可就大啦！在航空领域也一样啊！飞机的翅膀在空气中飞行，空气的流动也会产生类似的效应。
要是没研究清楚，飞机的飞行安全能有保障吗？所以说，研究涡激运动拖曳力系数放大效应太重要啦！科学家们得不断努力，搞清楚它的规律，找到应对的办法。
咱们普通人呢，虽然不用去做研究，但多了解了解这些知识，也能更明白咱们身边的这些大工程、大设备是怎么安全运行的。
总之，涡激运动拖曳力系数放大效应虽然复杂，但它和我们的生活息息相关。
咱们得重视它，让它为我们服务，而不是给我们带来麻烦！您说是不是这个理儿？。
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4πmϕξ − canlan, 1985)
特点: 非线性振动, 试验结果准确, 大量工程应用
2.4 通用经验非线性模型
( ) ( ) m &y& + 2ξω1 y& + ω12 y = μfCa 1 − ε η 2υ η& ( ) ( ) m &y& + 2ξω1 y& + ω12 y = μfCa 1− ε η 2 η& (υ = 1)
∫ Mi =
h 0
m(z
)φi2
(z
)dz
(广义质量);
Ki = (2πfi )2 M i
(广义刚度)
Ci = 4πM i fiξi (模态阻尼);
Qi
(t
)
=
∫h 0
w(z,
t
)φi
(z
)dz
(广义荷载)
z(3) 涡激响应
∫ ∫ σ 2 ai
∞
= Sai ( f
0
)df
=
1
K
2 i
∞ 0
Hi ( f ) 2 SQi ( f )df
&y& D
+
2ξω1
y& D
+ ω12
y D
=
ρU 2
2m
CL
C&&L + a1C&L + a2C&L3 + a3CL = a4 y&
(Scruton, 1963) (R. T. Hartlen et al. ,1968)
特点: 公式简单，实验量大，应用不多
2.2 经验线性模型
( ) m &y& + 2ξω1y& + ω12 y
Hi( f
)2
=
1− ( f
/
)fi 2
1
+ (2ξti
f
/
)fi 2
( ) σ 2 ai
≈
πfi 4ξti
⋅
SQi fi
K
2 i
3.2 横风向涡振(可能性较大)
z(1) 特征参数
CL — 截面形状
fv = StU / D — Reynolds数影响 υ (带宽) — 尾流紊流积分尺度
L / D — 展向相关性
桥梁及结构风振理论及其控制
——之第八讲
涡激振动问题
葛耀君 主讲教师：
博士．教授
1、涡振基本概念 2、涡振解析模型 3、垂直结构涡振 4、水平结构涡振 5、桥梁涡振问题
¾ 1.涡振基本概念
1.1涡振特性
A(振幅)
{自激振动
振动特点 强迫振动 有限振幅
{频率锁定
锁定特点
O
风速锁定 f (频率)
{均匀流较大
F (t )
=
1 2
ρU
2 DCL
sin(ωvt
+φ)
z(3) 涡激共振
必要条件: fv = fs
最大振幅:
y max
=
DCLU
2 r
8πSc
Ur
=
U fsD
(折算风速)
fs
=
1 2π
k m
(结构自振频率)
Sc = mδs (Scruton 数)
δs =
Cs (结构阻尼对数衰减率) 4mk
¾ 2. 涡振解析模型 2.1升力振子模型(Van del Pol 振子)
)
⎟⎞2 ⎠
⎤ −1⎥
⎥⎦
z(7) 试验实测
σCL —节段模型升力rms ξa —气动阻尼比 R(y1, y2 )—试验实测比较困难
¾ 5. 桥梁涡振问题
5.1 涡振基本问题
z(1) 产生涡振条件 Stroughl 数: St = fv D /U
是否唯一?
z(2) 涡振锁定风速
U = fvD / St
K
2 1
−
ρD 2 m
Y2 (K 1 )
γ
=
1 2K0
⎡ ⎢
2
ξ
K
1
⎣
−
ρD 2 m
Y1 (K 1 )⎥⎤
⎦
(O. M. Griffin et al. ,1976)
(E. Simiu & R.H. Scanlan, 1985)
特点: 经验模型, 非线性问题实验简化, 有工程应用
2.3 经验非线性模型
5.3 三维涡振问题 z(1) 三维涡振计算模型 是否可以参照三维颤振模型? 模态耦合作用如何?
z(2) 计算模型和全桥模型比较
z(3) 理论计算 → 风洞试验 → 实桥测试
z(4) 涡振控制方法研究 (a) 钝体 (b) 流线体
下周同一时间再见!
( ) m
&y& + 2ξω1 y& + ω12 y
=
1 2
ρU
2 (2D )⎢⎡Y1(K
⎣
)⎜⎜⎝⎛1 −
ε
y2 D2
⎟⎟⎠⎞
y& D
+
Y2 (K
)
y D
+
1 2
CL
(K
)sin
(ωt
+
φ
)⎥⎦⎤
∫T 0
⎡
⎢2mξω
⎣
−
ρUDY1⎜⎜⎝⎛1 − ε
y2 D2
⎟⎟⎠⎞⎥⎦⎤ y& 2dt
=
0
y0 =
R(y1, y2) = exp⎜⎜⎝⎛−
y1 − y2 nD
⎟⎟⎠⎞
对于单位模态：n
=
⎧5.6 ⎩⎨3.3
均匀流矩形 紊流矩形
LL
∫ ∫ R(y1, y2)dy1dy2 = 2(nD)2{L/(nD)−1+exp[− L/(nD)]}
00
z(5) 运动相关力
[ ] Lz (y,t) =
1 2
ρU
2 (ωD
无法反映锁定区间?
z(3) 涡振最大振幅
四种计算模型
5.2 二维涡振问题
z(1) 理论计算与节段模型试验 用节段模型试验参数修正理论公式
z(2) 完善涡振解析模型 (a) 从较小风速到涡振风速的模型 (b) 涡振区模型(四种) (c) 从涡振风速到更大风速的模型
z(3) 涡振最大振幅的验证 理论方法=试验方法
Sw (z1, f )Sw (z2 , f )R(z1, z2 )φi (z1 )φi (z2 )dz1dz2
00
3.3 烟囱涡振分析(Vickery)
z(1) 展向相关性
R (z1 ,
z2
)
=
cos ⎜⎛ ⎝
2γ 3λ
⎟⎞ ⎠
exp
⎡ ⎢− ⎢⎣
⎜⎛ ⎝
γ 3λ
⎟⎞ 2 ⎠
⎤ ⎥ ⎥⎦
z(2) 结构尺度
σ
C
L
(h
/
D
)
σ
C
L
(∞
)
=
⎧0.4 ⎪⎨0.4 ⎪⎩1.0
+
0.33
ln
(h/
4
D
)
h/D < 4 4 ≤ h/D ≤ 25 h/D > 25
z(5) 涡振力
WD
(z,
t
)
=
1 2
ρU
2
(
fD
/
U
)2
(4π
)2
[H
a
y
+
(K
a
/
ω
)y& ]
Ha和Ka —与振幅有关的气动参数
[ ( ) ] Ka = Kao 1− σ y /σ yL 2
z(2) 升力谱密度
fSL ( f
σ
2 L
)=
f / fs
bπ
⎡ exp⎢−
⎜⎛
1−
⎢⎣ ⎝
f
ν
/
fs
⎟⎞2
⎤ ⎥
⎠ ⎥⎦
ν — 谱宽参数
z(3) 模态升力谱
LL
∫ ∫ SQi ( f ) = SL ( f ) R(y1, y2 )φi (y1 )φi (y2 )dy1dy2 00
z(4) 展向相关函数
=
1 2
ρ
U
2
(2
D
)⎢⎣⎡
Y1
(K
1
)
y& U
+
Y2
(K
1
)
y D
+
1 2
C L (K 1 )sin
(ω1t
+
φ )⎥⎦⎤
η′′ +
2 γK 0η′ +
K
2 0
η
=
ρD 2 2m
CL
sin (K 1s
+
φ)
η=
y, D
S=
Ut / D ,
η′ = dη / ds ,
K1 =
Dω1 / U
K
2 0
=
流场特点
紊流较小
{破涡致振
涡振控制
fs
增加阻尼
O
锁定区
V (风速)
锁定区
旋涡脱落频率
V (风速)
1.2 简化强迫振动模型 z(1) Stroughl数(折算频率)
St = fvD /U fv —涡脱频率 D —结构特征尺寸 U —来流风速
z(2) 振动方程
m&y& + cs y& + ky = F (t)