[发明专利]一种圆柱体涡激振动的流固耦合时域分析方法

说明书

本发明涉及海洋深水立管的研究方法，尤其涉及一种圆柱体涡激振动的流固耦合时域分析方法。本发明的关键点包括：采用流体与圆柱体的相对速度计算流体力和非锁定区的涡旋泄放频率；流固耦合条件下，脉动拖曳力和涡激升力随流体与圆柱体相对速度的变化而变化；流体力的频率在锁定区保持不变，充分体现了涡激振动的重要特征——频率锁定；锁定频率不仅取决于圆柱体的湿模态频率，还取决于圆柱体与流体的质量比。本发明具有以下优点：正确描述了圆柱体运动对脉动拖曳力和涡激升力大小和方向的影响；正确描述了锁定区和非锁定区流体力频率的性质即脉动拖曳力频率与涡激升力频率的关系；正确描述了涡泄频率的锁定现象。

技术领域

本发明涉及海洋深水立管的研究方法，尤其涉及一种圆柱体涡激振动的流固耦合时域分析方法。

背景技术

圆柱体涡激振动的时域分析方法主要为尾流振子模型和力分解模型，力分解模型是将发生涡激振动的圆柱体所受的流体力分解为沿流场的流速方向和垂直流速方向两个分量，分别用于计算圆柱体的顺流向涡激振动和横向涡激振动。

当圆柱体在非静止的流场中受到流速不平行与其轴线的流体作用时将产生涡激振动，引起涡激振动的流动是垂直于圆柱体轴线的流速分量。因此，圆柱体的涡激振动均采用垂直圆柱体轴线的流速来计算，如图2所示。

为便于描述圆柱体的涡激振动，通常将其分解为平行于流速和垂直于流速两个分量，分别称为顺流向振动和横向振动，相应的两个流体力分量分别称为脉动拖曳力和涡激升力。脉动拖曳力的定义是圆柱体表面压力积分在流速方向的分量；涡激升力的定义则是圆柱体表面压力积分在垂直流速方向的分量。上述定义成立的条件是流体的驻点(驻点的定义见图3)位于负x轴上(见图2)，分离点对称于x轴(见图3)。

图3的驻点位置是圆柱体绕流(圆柱体在流场中是静止的)时的情况，当圆柱体在流场中作不平行于流速方向的运动时，流体相对于圆柱体的速度方向不再是流场的速度方向，从而驻点和分离点也将偏离圆柱绕流时的位置，如图4所示。

因此，圆柱体发生涡激振动时，圆柱体受到的脉动拖曳力将不再沿x轴方向，涡激升力也不再沿y轴方向。而目前的方法则默认，即使圆柱体发生了涡激振动，其脉动拖曳力仍然沿x轴方向，涡激升力仍然沿y轴方向。则根据强迫振动理论可知，圆柱体的顺流向涡激振动频率应该与脉动拖曳力频率相同，横向涡激振动频率应该与涡激升力频率相同。这就意味着，圆柱体涡激振动在x轴和y轴的分量各自只有一个频率峰值，而试验测得的结果却是每个分量有两个频率峰值，主峰值与相应的流体力频率相同，次峰值与另一方向的流体力频率相同，即顺流向响应频率的主峰值与脉动拖曳力频率相同，次峰值与涡激升力频率相同；横向响应频率的主峰值与涡激升力频率相同，次峰值与脉动拖曳力频率相同，如图5所示。

综上所述，现有技术存在以下缺点：

1、没有考虑圆柱体横向运动对流固耦合的影响。

2、没有考虑由于圆柱体运动引起的驻点和分离点偏移对流体力的影响。

3、没有反应频率锁定现象——在锁定区，荷载频率保持不变。仅仅考虑了锁定区和非锁定区，脉动拖曳力频率与涡激升力频率的差异。

4、没有考虑质量比对锁定频率的影响。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种圆柱体涡激振动的流固耦合时域分析方法。

本发明的技术方案为：

本发明提供了一种圆柱体涡激振动的流固耦合时域分析方法，包括：

1)建立圆柱体的涡激振动方程

其中：