倒角半径对方柱涡激特性的影响研究.PDFVIP

56 卷 第1 期（总第212 期） 中 国 造 船 Vol.56 No.1 （Serial No. 212） 2015 年 3 月 SHIPBUILDING OF CHINA Mar. 2015 文章编号：1000-4882 （2015 ）0 1-0051-10 倒角半径对方柱涡激特性的影响研究 谷家扬，焦经纬，渠基顺 （江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，镇江 212003 ） 摘 要 采用有限体积法对具有不同倒角半径方柱涡激振动开展了数值研究。方柱涡激振动系统简化为两自由度 的质量-弹簧- 阻尼模型，引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes 方程，结合SST k 湍流 模型对低质量比弹性支撑的方柱涡激振动进行了模拟。研究发现：方柱涡激振动最大振幅曲线随着折合速度 的增大先增大后减小，与圆柱涡激运动初始激励分支和下端分支相类似，但没有发现幅值跳跃现象。流向振 幅最大值出现在20%倒角且折合速度 5.0 时，大小为0.28D ，而横向振幅在 30%倒角工况中折合速度为 6.0 时达到最大值 0.47D 。方柱涡激振动没有发生类似圆柱一样的频率锁定现象，但其振幅呈现明显的“差拍”规 律，差拍区间随倒角半径大小而异，最后对不同倒角半径下方柱运动轨迹进行了讨论分析。 关 键 词：方柱；倒角半径；涡激运动；动网格 中图分类号：O327 文献标识码：A 0 引 言 涡激振动是海洋工程领域比较常见的流固耦合问题。在一定流速来流下，由于流体的粘性作用， 流体流经柱状海洋结构物时会在两侧产生交替漩涡。当结构物后面的漩涡释放时，会产生横向和流向 的脉动力。若海洋结构物的支撑方式是弹性支撑，横向和流向的脉动压力会激励柱体产生周期性的往 复运动。流向的脉动力使结构物产生流向的周期性往复运动，即纵荡（Surge ）；横向的脉动力使结构 物产生横向的周期性往复运动，即横荡（Sway）。 在海洋工程领域，涡激振动的存在促使海洋平台设计和相关研究必须对涡激振动相关方面进行更 加周密的考虑。对海洋结构物而言，涡激振动的存在会引起锚链和立管等结构物的破坏，从而缩短海 洋结构物的总体疲劳寿命。如若不计及涡激振动的影响，海洋结构物锚链最大张力计算结果和疲劳分 析结果都将比实际值偏小，将会导致设计者对锚链、立管等相关参数设计计算偏小。处理涡激振动的 关键是把流体和弹性系统作为一个整体系统来研究，并要找到两者之间的耦合条件。流体动压力的大 小主要由整个系统的位移、速度和加速度来决定，而在流体动压力的作用下又会改变系统的位移、速 度和加速度，这种相互作用下的物理现象表现为流体对于弹性系统在阻尼、弹性和惯性方面耦合。当 漩涡的涡泻频率和结构物的固有频率比较接近时，涡激振动现象最为明显，对结构物的破坏也就最大。 深水海洋平台例如半潜平台和张力腿平台，其立柱截面形式以圆形、方形或方形立柱带有一定的 倒角为主。目前海工领域涡激振动的研究对象主要是均匀流或剪切流中的弹性支撑圆柱，方形柱体涡 收稿日期：2014-01-14；修改稿收稿日期：2015-02-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目）；江苏省高校自然科学研究资助项目 （13KJB570002）；海洋工程国家重点实验室开放 基金（1407）；江苏省高校“青蓝”工程资助；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD ） 52 中 国 造 船 学术论文 激振动的研究比较少。国内外主要通过流体商业软件如 Fluent 、CFX 等进行数值模拟，或进行模型试 [1-6] 验对涡激振动开展研究。Willamson 和他的实验室成员 对弹性支撑圆柱