基于特征线分裂有限元方法的单圆柱及弹性耦合双圆柱涡激振动特性分析

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涡激振动是工程领域内中很常见的一种现象。流体流经弹性支承圆柱体时,流动分离和漩涡脱落使圆柱体承受周期性流体动力作用。该脉动流体力将引发圆柱体的周期性振动,而规律性的振动又会影响尾流的泻涡发放形态。这种流体-结构相互作用的问题被称为“涡激振动”现象。在海洋工程中,涡激振动的产生往往会导致海洋立管疲劳破坏,造成巨大的经济损失和生态灾难,因此对该问题的研究具有重要的现实意义和工程价值。本文通过基于特征线分裂有限元方法(CBS)方法编写的有限元程序,研究了在雷诺数Re=100的均匀来流下,单圆柱和并列排列的耦合双圆柱两种不同情况下的涡激振动。针对单圆柱的算例分析,本研究重点探究折合速度的改变对圆柱结构动力响应、水动力特性及尾涡特征的影响。研究发现:质量比m*=10的圆柱在进入锁频阶段后圆柱的振幅及升阻力均得到了明显的提高,最大振幅为0.6D,且存在2S和C(2S)两种尾涡模态。针对耦合双圆柱的涡激振动算例,双圆柱的质量比设定为m*=10,下部圆柱通过弹簧刚度为K1的弹簧与固端连接,而上部圆柱则通过另一根弹簧刚度为K2的弹簧与下部圆柱耦合连接。本研究选取3种不同的弹簧刚度K1,分别对应于单圆柱连接的弹簧处于3种不同的涡激振动现象,各自对应着在该约化弹簧刚度支撑下的单圆柱处于锁频前(状态A)、锁频中(状态B)、锁频后(状态C)阶段。在每一个状态下,本研究重点探究连接双圆柱的弹簧刚度的改变,即系统的折合速度的变化对耦合系统双圆柱各自的振动响应、水动力特性、频率特性、相位差的变化曲线、有效附加质量和尾涡特征的影响。研究表明:在状态A下,圆柱2的最大振幅为0.6D,与单圆柱的振幅较为接近,要明显高于圆柱1的振幅。在状态B下,圆柱2的最大振幅则明显有所下降,仅为0.2D,明显低于单圆柱的最大振幅;而圆柱1的最大振幅在锁频阶段则得到了明显的提升。在状态C下,双圆柱振幅随折合速度的变化情况基本一致,且均与单圆柱的变化情况相类似。不同状态下,双圆柱的升力均值与静止并列排列下的双圆柱情况相类似;而升力系数的均方根值随着折合速度的变化则均与单圆柱的情况相类似。由此,研究认为此耦合系统对于升力系数的波动程度的影响较小。相反,双圆柱阻力系数则对该耦合系统的变化更加敏感。部分折合速度下,圆柱1与圆柱2的阻力系数的均值与均方根值差别较大。由此,研究认为此耦合系统对于阻力系数的波动程度的影响较大。
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