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圆柱体涡激振动缩尺实验的相似关系研究

International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学, 2014, 2, 35-45

Published Online September 2014 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/643693762.html,/journal/ijfd

https://www.wendangku.net/doc/643693762.html,/10.12677/ijfd.2014.23004

Study on the Similarity Relation of Model

Test of Vortex-Induced Vibration on

Circular Cylinders

Yang Zhou*, Weiping Huang

Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao

Email: *edit502@https://www.wendangku.net/doc/643693762.html,

Received: Aug. 10th, 2014; revised: Sep. 1st, 2014; accepted: Sep. 8th, 2014

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

https://www.wendangku.net/doc/643693762.html,/licenses/by/4.0/

Abstract

An experimental method, based on Reynolds number similarity, of the vortex-induced vibration (VIV) of circle cylinders is proposed to achieve VIV similarity between prototype and tested model.

The VIV response of a circle cylinder is closely related to Reynolds number because the mode of vortex shedding highly depends on Re. However, the scaled model test of circle cylinder’s VIV is designed based on Froude number similarity but Reynolds number is not similar under the same fluid for both model and prototype. Therefore, the VIV response of tested model is not similar to that of the prototype because they have different vortex shedding modes. It means that the test results can not be used to predict the VIV response of the prototype according to the scaling law based on Froude number similarity. The prototype and three scaled models with different simi-larity schemes have been simulated using CFD to validate the method and at the same time, expe-riments are compared. The numerical results show that the similarity between prototype and model is satisfying by Reynolds number similarity, and it is in accordance with both Froude num-ber and Reynolds number similarity. But the similarity between prototype and model is not satis-fying by Froude number similarity. The experimental results show that the similarity of period of the vortex shedding is satisfying by Reynolds number similarity but not satisfying by Froude number similarity. As a result, Reynolds number similarity should be used in the scale model test instead of Froude number similarity when studying the characteristics of VIV.

Keywords

Vortex-Induced Vibration (Viv), Cylinder, Cfd, Reynolds Number Similarity, Froude Number

Similarity

*通讯作者。

圆柱体涡激振动缩尺实验的相似关系研究

周阳*，黄维平

中国海洋大学，山东省海洋工程重点实验室，青岛

Email: *edit502@https://www.wendangku.net/doc/643693762.html,

收稿日期：2014年8月10日；修回日期：2014年9月1日；录用日期：2014年9月8日

摘要

提出了一种基于雷诺相似的圆柱体涡激振动(VIV)实验方法。涡旋的泄放模式与雷诺数Re密切相关，目前圆柱体涡激振动的研究中，缩尺模型实验往往基于弗汝德相似而雷诺数不相似，因此，模型与原型的涡泄模式不同，由此可以推断，模型的涡激振动响应与原型不相似。这就意味着基于弗汝德相似准则的模型实验结果不能准确地预测原型的涡激振动响应。对基于雷诺数相似的模型与原型的涡激振动实验相似关系进行了推导，采用CFD方法对原型和3种不同相似准则条件下的缩尺模型进行了涡激振动仿真计算, 同时引入实验进行对比。数模结果表明，仅满足雷诺数相似的模型与原型的涡泄模式相似，这个结果与弗汝德数和雷诺数均相似的结果一致，而仅弗汝德数相似条件下，模型与原型之间的涡泄模式和尾流场完全不同。实验结果表明，仅满足雷诺数相似时，模型与原型涡泄周期满足相应缩尺比，而仅满足傅汝德数相似时，模型与原型涡泄周期不满足相应缩尺比。因此，缩尺实验中仅满足傅汝德数相似模型的涡激振动特性不可能与原型相似，应采用雷诺相似准则。

关键词

涡激振动，圆柱体，CFD，雷诺相似，弗汝德相似

1. 引言

在工程领域中，涡激振动现象的研究由来已久。物体在一定流速的空气、水、油等流体介质中，其尾流产生交替的涡泄，导致物体两侧压强的交替变化，从而引起结构的振动。目前涡激振动现象的研究在海洋立管方面尤为突出，很多学者已经通过不同的方式对海洋立管和海底管线等大长细比的柔性结构进行了涡激振动研究[1] [2]，其中还有包括侧重于工程应用角度的对海洋平台等结构物进行的涡激振动整体预报的相关研究[3] [4]，还有包括侧重于考察非流线型柱体周围的复杂流动现象、涡的生成和脱落特征方面的机理性研究[5] [6]。

涡激振动的分析方法主要有3种，包括物模实验，数值模拟和理论分析。目前关于涡激振动的物模和数模实验大多通过弗汝德相似即重力相似来进行缩尺实验[7] [8]，然而涡旋脱落模式跟雷诺数紧密相关,见图1，通过弗汝德相似来预测模型原型的动力特性存在一定的缺陷和不科学。

此外，仅满足弗汝德数相似时，模型与原型的斯托哈尔(涡旋泄放)频率的相似关系是不确定的，因为，斯托哈尔数(Strouhal number)在超临界区和亚临界区是不同的(见图2)。这意味着，由于雷诺数不相似，模型与原型的涡泄频率不相似，从而造成涡激振动响应不相似。

在涡旋脱落引起的涡激振动研究中，雷诺相似有着其重要的应用地位，然而由于实验条件的限制，人们很难改变流体的粘度从而来实现雷诺相似准则。CFD数值模拟软件Ansys-CFX能够弥补物模实验无

Figure 1. Vortex shedding in different Reynolds number 图1. 不同雷诺数范围的涡泄模式[9]

Figure 2. Strouhal number vs. Reynolds number 图2. 斯托哈尔数与雷诺数的关系[10]

法实现的改变流体粘度这一困难，本文通过此软件对圆柱体涡激振动进行了研究，分别对原型，满足弗汝德相似模型，同时满足弗汝德相似和雷诺相似模型和满足雷诺相似模型进行了升力系数、拖曳力系数和周期的比较，从而探讨相似理论在涡激振动中的应用性，并引入实验进行对比。

2. 准则与模型

2.1. 相似准则

海洋工程结构物庞大，所以在设计物理模型进行物理实验和建模进行数值模拟时，往往都要选择一个尺寸较小的物理模型以节省物理实验材料或提高计算效率。为了使物理模型能够代表原型的实际情况，使真实情况在试验中重现，物理模型或数值模型必须满足一定的相似条件。

当研究对象的受力以重力为主时，所设计的物理模型就要满足弗汝德相似条件，即缩尺模型的弗汝德数与原型的弗汝德数相等，弗汝德数的计算公式如下：

Fr V gl

= (1)

其中，V 为速度，g 为重力加速度，l 为长度，相应的缩尺比关系给出如下：

g 1V l

λλλ= (2) 其中，V λ为速度比尺，g λ为重力加速度比尺，l λ为长度比尺。本文中重力加速度比尺恒为1，则相应的缩尺比关系变为：

1V l

λλ= 即1

2V l λλ= (3) 通过换算可知，相应的时间比尺为：

t l V

λλλλ== (4)

此时，模型与原型的密度比尺ρλ取1，运动粘度系数比尺υλ取1。

当研究对象的受力以流体的内摩擦力及粘滞力为主时，模型应保证与原型满足雷诺相似准则，即缩尺模型的雷诺数与原型的雷诺数相等，雷诺数的计算公式如下：

Re Vl

(5)

其中υ为运动粘度系数，相应的缩尺比关系如下：

1V l

λλλ= (6) 仅考虑雷诺相似时，运动粘度系数比尺取1，相应的缩尺关系变为：

1V l λλ= 即1

V l

λλ=

(7)

通过换算可知，相应的时间比尺为：

l V

λλλλ== (8) 此时，模型与原型的密度比尺ρλ取1。

上述两个模型不但能在Ansys-CFX 数值模拟中实现，也易在水槽模型实验中实现，但当研究对象的受力应同时考虑重力与流体的内摩擦力及粘滞力时，模型要与原型同时满足弗汝德相似与雷诺相似，即模型要与原型的弗汝德数和雷诺数都相等，这就必须改变流体的运动粘度系数，然而这只能通过数值模拟来实现验证。

若要求模型与原型弗汝德数相等，则有：

1V l

λλ= (9) 若要求模型与原型雷诺数相等，则有：

1V l

λλλ= (10) 当弗汝德数与雷诺数同时相等，则有：

l υλλ= (11)

通过换算可知，相应的时间比尺为：

2t l

l V

λλλλ== (12)

此时，模型与原型的密度比尺为：

l ρλλ= (13)

由上述相似关系可见，无论采取何种相似准则，几何比尺确定以后，所有的参数比尺都可以确定下来。

2.2. 数值模型

数值模拟原型为直径为0.3 m 的圆柱体，在流速为0.02 m/s 的水中进行涡旋泄放实验，相应的雷诺数为6000，其中流场的宽度为3 m ，长6 m ，高度为0.6 m ，圆柱体中心距流体入口处为1.5 m ，圆柱体长度方向为流场厚度方向，如图3所示。3种相似模型相对于原型的几何缩尺比均为1:10，具体的设计参数见表1。

3. 数值模拟方法

3.1. 理论基础

本文将圆柱体看做一个刚体进行整体分析，探讨刚性圆柱体在流场中受到的涡激升力，拖曳力以及对应的周期。由于无论采用何种相似准则，相应力系数的比值应恒为1，因此力的比较方式采用无量纲的涡激升力系数C L ，拖曳力系数C D 的方式进行，系数的计算公式[11]：

Figure 3. Model of the fluid domain 图3. 流场模型

Table 1. Parameters of the fluid domain 表1. 模型设计参数

流场宽度流场长度管长度及流场厚度管径流体密度运动粘度系数流速雷诺数Re 原型

3 m 6 m 0.6 m

0.3 m 1000 kg/m 3 1e ?6 m 2/s 0.02 m/s 6000 满足弗汝德相似模型 0.3 m 0.6 m 0.06 m 0.03 m 1000 kg/m 3

1e ?6 m 2/s

0.00632 m/s

189.6 同时满足弗汝德相似和雷诺相似模型 0.3 m 0.6 m 0.06 m 0.03 m 31.6 kg/m 3 3.16e ?8 m 2/s 0.00632 m/s 6000 满足雷诺相似模型

0.3 m

0.6 m

0.06 m

0.03 m

1000 kg/m 3

1e ?6 m 2/s

0.2 m/s

6000

2222,L D

L D

F F C C U DH U DH

ρρ=

= (14) 其中，F L 为作用于圆柱体上总的升力，F D 为作用于圆柱体上总的拖曳力，ρ为流体密度，U 为流体流速，D 为圆柱体直径，H 为圆柱体长度。

通过对不同模型之间力系数以及周期的比较，探讨弗汝德相似与雷诺相似准则在研究圆柱体涡激振动时的可行性。

3.2. 建模及网格划分

通过Ansys-Workbench 分别建立原型，弗汝德相似模型，同时满足弗汝德与雷诺相似模型以及雷诺相似模型，运用ICEM 软件对流场模型划分网格，为了能避免网格划分的不同带来计算结果的差异，对4种模型进行一致性的网格划分，即网格间距满足相似准则，4种模型具有相同的网格数，原型的网格划分如图4。

通过Ansys-CFX 对划分完网格的流场模型进行绕流力的分析，原型计算时长3000 s ，时间步长2 s 计算流速0.02 m/s ，计算的湍流模型采用剪切流模型(SST)，监控圆柱体的升力及拖曳力时程。

4. 结果及分析

4.1. 涡旋脱落特征

本文通过CFX 软件对实验模型进行涡旋泄放实验，每10步输出一次流场数据，将流场稳定后的不同模型间的涡泄图形进行比较。由相似准则可知，满足相似准则的模型涡泄模式应与原型的涡泄模式一致。

图5为不同模型的涡旋脱落情况，从图中可以看出原型，同时满足弗汝德相似和雷诺相似模型，雷诺相似模型这3个模型有着明显的一致性，尾流一侧涡量均为5个，然而满足弗汝德相似的模型尾流一侧涡量仅为4个，可见只满足弗汝德相似的模型经过长度缩尺后，其泄放的涡旋间距失去了相应的缩尺比，从这一点能反应出弗汝德相似在研究涡激振动时的缺陷，同时，雷诺相似在涡激振动研究中的地位得到了体现。

4.2. 不用模型的流体作用力

图6分别为不同模型的升力系数C L 和拖曳力系数C D ，图7为不同模型的升力系数C L 的相应频谱分析图，以周期的形式体现出来。从图6中可以分析得到固定圆柱体的升力和拖曳力的基本特征[12] [13]：1) 升力系数C L 的周期约为拖曳力系数C D 的两倍；2) 升力系数C L 的均值约为0。

Figure 4. Mesh of the fluid domain 图4. 流场网格

(a) (b)

Figure 5. Vortex shedding of different models (a) Prototype, (b) The model of Fr similarity, (c) The model of both Re and Fr similarity, (d) The model of Re similarity

图5. 不同模型的涡旋脱落(a) 原型，(b) 弗汝德数相似模型，(c) 雷诺数和弗汝德数均相似模型，(d) 雷诺数相似模型

(a) (b)

Figure 6. Time history of C D and C L, (a) Prototype, (b) The model of Fr similarity, (c) The model of both Re and Fr simi-larity, (d) The model of Re similarity

图6. C D 和C L 时程图，(a) 原型，(b) 弗汝德数相似模型，(c) 雷诺数和弗汝德数均相似模型，(d) 雷诺数相似模型

4.3. 不同模型的流体作用力比较

1) 表2给出了4种模型的升力系数C L 幅值和拖曳力系数C D 时均值，从表中可以看出，原型，同时满足弗汝德相似的和雷诺相似模型，雷诺相似模型这3个模型在升力系数和拖曳力系数上有着明显的一致性，升力系数幅值均为0.9，拖曳力系数时均值也均为0.9。然而只满足弗汝德相似的模型在升力系数幅值和拖曳力系数均值上与其他3个模型有着明显的不同，其升力系数幅值为0.6，拖曳力系数均值为

(a) (b)

Figure 7. Spectrum of lift coefficient, (a) Prototype, (b) The model of Fr similarity, (c) The model of both Re and Fr similar-ity, (d) The model of Re similarity

图7. 升力周期图，(a) 原型，(b) 弗汝德数相似模型，(c) 雷诺数和弗汝德数均相似模型，(d) 雷诺数相似模型Table 2.Results of different models

表2.不同模型的计算结果

原型0.9 0.9 53.9 1 1 满足弗汝德相似模型0.6 1.4 22.3 0.316 0.414

同时满足弗汝德相

0.9 0.9 17.0 0.316 0.315

似和雷诺相似模型

满足雷诺相似模型0.9 0.9 0.549 0.01 0.0102

1.4。

2) 表2给出了4种模型的升力周期，理论周期比和实际周期比。从中可以得出，原型，同时满足弗汝德相似和雷诺相似模型，雷诺相似模型这3个模型在升力周期上满足其相应的相似比关系：满足雷诺相似时，模型的升力周期为0.549 s，为原型周期的0.0102倍；同时满足弗汝德相似和雷诺相似时，模型的升力周期为17.0 s，为原型周期的0.315倍。然而只满足弗汝德相似时，模型的升力周期为22.3 s，为原型的0.414倍，完全不符合相应的比例系数0.316。

3) 通过对不同模型力以及力周期的比较发现，在研究圆柱体涡激作用力时，通过雷诺相似进行缩尺实验能客观反映模型原型的力学特性，即便是在同时满足弗汝德相似和雷诺相似情况下，只要保证雷诺相似，其力学特性总能客观反映原型的力学特性。当仅仅采用弗汝德相似进行模型相似实验时，模型的力学特性与原型的力学特性有了明显的区别，不再符合相应的相似比关系。

5. 模型实验

该实验依托海洋工程山东省重点实验室和海洋工程结构检测实验室完成，山东省重点实验室拥有实验水槽(见图8)和水动力测试仪器设备，海洋工程结构检测实验室拥有测试分析的仪器设备和数据处理计算机。实验水槽内宽59 cm，外宽76 cm，高95 cm，可以产生流和规则波。

实验采用压力传感器，量程0~10 kpa，输入电压15 V，输出信号正负5 V。用采集仪采集压力传感

Figure 8. Water channel 图8. 实验水槽

器的电压信号。由于实验中存在电机等多方面的电磁干扰，外接电容进行多级滤波，采用电容规格为25V50UF 。

实验采用拖曳实验的方式，对圆柱体有机玻璃管进行水槽拖曳实验，流速的监测通过固定在有机玻璃管上的流速计测得。通过对不同组流速下的相似模型实验，测得柱体横流向流场的脉动水压力，进而对涡旋泄放的相似性进行研究。

5.1. 实验安排

对两组不同直径的圆柱体有机玻璃模型进行拖曳实验，较大直径圆管的直径为0.1 m ，设为原型，较小直径圆管的直径为0.05 m ，设为模型。此处由于实验水槽尺寸大小的限制，只能对1:2缩尺比例的涡泄相似关系进行实验验证。

由于涡激振动模型实验不能同时满足傅汝德相似和雷诺相似，因此对仅满足傅汝德相似准则和仅满足雷诺相似准则时的模型进行了拖曳实验，并同原型的实验结果进行比较。基于对拖曳速度的考虑，速度越小，压力传感器所得的数据就越小，难以对数据进行处理，因此仅进行了3组对比实验，其中雷诺相似模型2组，傅汝德相似模型1组，详见表3。

5.2. 实验结果

对所采集数据进行再处理，由于实验所用仪器采样频率为1000赫兹，根据斯托哈尔数可计算出涡泄频率最大不过几赫兹，即小管结构模型流速最大时的涡泄频率，因此对所得数据再每隔20步取样，对取样后的数据进行快速傅立叶变换，这样处理可以使得可以过滤掉50赫兹以上的干扰频率。再对数据进行8192个点的快速傅立叶变换以提高精度。表4给出了3组对比实验的涡泄周期以及斯托哈尔数。

通过对表4的实验结果分析可以看出，当模型与原型的相似关系仅满足雷诺相似时，模型与原型的涡泄周期缩尺满足其相应的缩尺比例1:4，而当模型与原型的相似关系仅满足傅汝德相似时，模型与原型的涡泄周期缩尺比为1:1.22，不满足其相应的缩尺比例1:1.414。同时，仅满足雷诺相似时，实验计算所得的斯托哈尔数S t 在模型与原型之间保持一致，组别1中，斯托哈尔数S t 均为0.25，组别2中，斯托哈尔数S t 均为0.31。而仅满足傅汝德相似时，斯托哈尔数S t 前后不一致，组别3中，原型斯托哈尔数S t 为0.25，缩尺模型斯托哈尔数S t 为0.22。可见实验所得结果也表明雷诺相似模型能正确反映原型涡泄特征，而傅汝德相似模型不可以，这与数值模拟结果一致。

Table 3.Parameters of models

表3. 实验模型参数

管径流速雷诺数

组别1(雷诺相似)

原型0.1 m 0.35 m/s 35,000

模型0.05 m 0.70m /s 35,000

组别2(雷诺相似)

原型0.1 m 0.23 m/s 23,000

模型0.05 m 0.46 m/s 23,000

组别3(傅汝德相似)

原型0.1 m 0.35 m/s 35,000

模型0.05 m 0.25 m/s 12,500 Table 4. Results of the experiment

表4. 实验结果

组别1(雷诺相似)

原型 1.15

1:4 1:3.95 0.25

模型0.291 0.25

组别2(雷诺相似)

原型 1.39

1:4 1:3.97 0.31

模型0.35 0.31

组别3(傅汝德相似)

原型 1.15

1:1.414 1:1.22 0.25

模型0.926 0.22

6. 结论

本文通过Ansys-CFX对圆柱体进行了涡激振动相似实验，对4个基于不同相似准则的模型进行了升力系数，拖曳力系数，升力周期的比较，同时引入实验进行论证，可以得到以下结论：

1) 雷诺数是圆柱体涡激振动特性的重要参数，决定着涡激脱落的模式，是决定涡激升力系数和拖曳力系数和相应周期的重要因素。

2) 弗汝德数在圆柱体涡激振动研究中，有着一定的局限性，仅通过弗汝德相似的缩尺模型与原型在动力特性上，并不满足弗汝德相似准则。

3) 目前圆柱体涡激振动的水槽实验基本都基于弗汝德相似进行，然而流作用下的涡激振动不同于波浪力对圆柱体的作用，弗汝德相似在涡激振动模型缩尺实验的应用上是有一定局限的。在涡激振动的缩尺模型研究中，我们应该率先考虑雷诺相似，而不是弗汝德相似，这为今后水池模型实验的设计提供了一定的参考依据。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(51179179, 51079136, 51239008)。

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高层建筑涡激共振的危险性

摘要：本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，针对矩形超高层建筑涡激振动的“锁定”状态，提出了两种改进的广义范德波尔振子模型，即igvpo-1和igvpo-2，前者适用于“锁定”风速范围内任一折算风速对应的位移响应幅值的预测，后者适用于“锁定”时最大位移响应幅值的预测。最后，结合气弹模型风洞试验测试数据，实现了对两模型中气动参数的拟合。关键词：高层建筑；涡激共振；危险性一、关于涡激共振当风从非流线型的高层建筑结构构件吹过时，气流就从构件表面剥离，在尾流中产生交替的涡流。当涡流从高层建筑结构构件脱离的频率和建筑结构构件的固有频率一致时，就会发生涡激共振。涡激共振(vortex-excitedoscillation)是一种只在某一风速区域内发生的有限振幅振动，最大振幅对阻尼和断面形状有很大的信赖性，一般发生在比较胖的如圆形断面和宽高比b/d=3以下的矩形断面上，而高层建筑中多采用b/d＞3，因此，涡激共振不是一种危险性的发散振动，能通过增加阻尼或者安装适当的整流装置将振幅限制在可以接受的范围内。二、高层建筑涡激共振锁定模型建立的基本假定高层建筑受强风振动的影响，所表现出来的气动力极其复杂，这同时也与建筑几何外形、地理原因、风速和振动幅度等因素息息相关，并随着这些因素的变化自身也呈现出许多非线性特征。考虑到来流会在迎风面角点产生分离，导致高层建筑侧面风压长时间停滞在绕流场的尾流区，这就使得在研究建筑侧面风压合力的形成机理和作用机制时，需要考虑的因素极多。因此，我们在分析此类问题的时候，经常会按照普通情况下，认为高层建筑矩形截面横风向气动力是简单地由下面面部分线性组合而成：第一部分：受到建筑流场与结构振动两者的相互作用，而形成的气动弹性力(motion induced force)，该作用力是建筑结构是为了改变气流流动，从而在建筑走位产生的附加气动力。第二部分：高层建筑结构静止时，其受到横向气动力荷载作用，我们可以将之看做是是两个方向的横风向荷载的叠加，即来流中侧向紊流产生的荷载，与静止结构尾流中的旋涡脱落而产生的荷载。如果建筑结构处在涡振“锁定”状态，那么横风向结构振动与涡激力的影响作用将大幅度提升，这时候横风向的振动反应会远远超过顺风向，而相比与前面提到的气动弹性，横风向的气动力比小之又小，几乎可以完全忽略。三、气弹模型风洞试验对加强高层建筑抗风稳定性的作用针对高层建筑涡激共振“锁定”的特征，本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，建立了基于超高层建筑气弹模型风洞试验数据的两种改进的广义范德波尔振子模型，简写为igvpo-1和igvpo-2。使用这两种改进的广义范德波尔振子模型能够预测出高层建筑基本振型发生共振锁定时，锁定风速范围内任一风速下的涡振位移响应幅值和最大位移响应幅值，将这两种模型预测值与风洞试验测量值进行比较，结果表明本文提出的这两种理论模型均具有较高的精度。与此同时，笔者还根据高层建筑气弹模型风洞试验所得出的相关数据，对各式各类的斯克拉顿数结构涡激共振提出了预测“锁定风速范围”的计算公式，限于篇幅，此处不表。下图为高层建筑气弹试验模型。高层建筑结构在风荷载作用下很容易发生静力失稳(扭转发散、横向屈曲)和动力失稳(颤振和驰振)以及风致限幅振动(抖振和涡激共振)。因此设计中除应对高层建筑的静力稳定性、颤振稳定性以及抖振响应作必须的理论分析，还应以模型风洞试验加以佐证。高层建筑的风

涡激振动方法的

科技信息ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第9期0引言结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义[1]。例如，涡激振动可以引起热交换器管的振动；涡激振动还影响上升管道将石油从海底运输到岸上的动力；涡激振动对于工程结构设计具有重要意义，例如桥梁、大烟囱，还有船舶和陆地车辆的设计；并且涡激振动还能引起海洋中的绳索结构的大幅度振动。关于涡激振动的众多问题中的这几个事例是非常重要的。1研究涡激振动的目的研究流体涡激振动的目的总的来说就是研究许多对于一般的流激振荡和对于特殊的涡激振动的影响因素，并且通过物理和数值试验，理论分析和物理的角度指导设计数据的获取。研究流体涡激振动的最终目的是为了理解，预测和防止涡激振动（最好是没有阻力的情况），一部分就像研究在工业中较为关注的流体-结构耦合一样通过基础的直接数值模拟（DNS 谱方法），通过获得尽可能多的Navier- Stokes （N-S ）数据点（控制参数在期望范围内），还有一部分通过采用雷诺时均Navier –Stokes 方程（RANS ）,大涡模拟（LES ）（用改进的亚格子尺度模型），和他们的各种结合来研究。数值模拟方法是受到全新的测量和流体的流动显示技术的指导和启发，主要是无干扰技术：数字粒子图像测速技术(DPIV),激光多普勒测速技术(LDV)，TR-PIV ，压敏涂料，智能材料和其他一些在未来几年一定会出现的手段。这些技术与大规模的基准实验必定会增强对于采用非常大雷诺数的数值模拟实验的指导作用[2]。2涡激振动的实验研究从根本上说，有两种方法用来研究漩涡脱落引起的振动的影响。第一种方法，通过分析作用在安装在水中或风洞中的圆柱的强迫振动得到结果。第二种方法，漩涡脱落与物体振动之间的相互作用是通过直接研究安装在弹性基础上的圆柱得到的，即自激振动。这个基座使用可调弹簧与阻尼器做成的。事实上，第二种选择是试图直接研究涡街脱落现象的方法。从另一方面说，第一种方法就是一种分析漩涡脱落与结构体的振动之间的相互作用的间接方法。以上两种方法中的每一种方法都有优点和缺点。采用安装在弹性基底上的圆柱显示激励与系统响应之间的非线性作用的证据。然而，需要测量和分析的参数的数目显著增加，意味着解释实验结果比较困难。当采用强迫振动研究时，参数的数目较少，并且在涡激振动的实际问题中观察到的一些特征可能不出现。可能出现的问题是：圆柱受迫振动的实验在什么样的条件下相当于安装在弹性基底上的圆柱的实验。另外，在什么条件下自由振荡的圆柱体可以发生受迫振动？要回答上面的问题，就必须研究涉及流体振荡相互作用的能量转移的方向：是从流体转移到物体上或是从物体转移到流体中。众所周知，能量的转移和力与物体位移之间的相位角有关[3]（e.g.Morsea and Williamson,2006;Morsea,et al.,2008）。流体流过圆柱后自由振动，这是被观察到的同步的或锁定的现象。对于低流速的情况，涡旋脱落频率f vs 将与固定圆柱的振动频率f st 相同，即，f st 是由斯特劳哈尔数决定的。随着流速的增加，涡街脱落频率接近圆柱的振动频率f ex 。在这种水流状态下，涡街脱落频率不再随着斯特劳哈尔数变化。反而，涡街脱落频率变得逐渐“锁相放大”到圆柱的振动频率（即，f st ≈f ex ）。如果涡旋脱落频率接近圆柱通常情况下的固有频率f n ，在锁相放大状态下观测到大型物体运动（结构经历近共鸣振动）。图1安装在弹簧上的圆柱体在空气中自由振动的响应和尾迹特征同样众所周知的是结构振动接近共振区域时振幅变化和频率捕获可能存在滞后特性—不管是在低速的流体或者是高速流体[4]（Sarpkaya,1979）。滞后回线的两个分支分别与不同的涡旋脱落方式有联系，并且这些分支之间的转变与在0~180°的相位跃变有关系[5]（Krenk and Nielsen,1999）。图1所示为自由振动的小阻尼圆柱结构在锁相放大区域的经典响应[6]（Feng ，1968）。滞后效应在可以清晰地看出，当速度的减少超过一定的范围会获得较高的振幅。同样可以看出涡旋脱落频率和物体振动频率都衰减至接近圆柱体固有频率时发生锁相放大现象。直线St =0.198是代表常量斯特劳哈尔数的线。对于长的、刚性或柔性结构（例如，海洋立管），实际上结构在其整个长度上的频率趋向于多样化的现象更加的复杂。反过来,这产生了预测值最接近实际值的额外的和全方位的流体载荷。当不存在任何同步（锁相放大）时，引射流体载荷和结构以各自的频率振荡。3涡激振动的数值模拟在相对小雷诺数情况下，流体绕过圆柱体经受（特别是Re=100-1000的时候）涡激振动的数字模型应用在流体力学的一些难题时非常的复杂，例如分离层的扰动，剪切层的不完全转变，基于尾迹附近动力学与涡旋结构动力学之间的尚无法解释的耦合机理的相干长度。对于雷诺数不超过大约15000至20000的情况，大多数实验研究与数值模拟之间的不同归功于向湍流转变的界线的平均位置没有达到足够的上游，即使涡激振动具有二自由度可能会促使不稳（下转第238页）涡激振动研究方法的探讨房建党（上海海事大学物流工程学院，中国上海201306）【摘要】涡激振动（VIV ）的内容是若干学科的综合，结合了流体力学、结构力学、振动、计算流体力学（CFD ）、声学、小波变化、复杂的解调分析、统计学和智能材料。结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义。涡激振动的研究方法主要有三种：实验研究，数值模拟和半经验公式，这儿我们主要研究涡激振动的实验研究方法和数值模拟。【关键词】涡激振动；目的；实验研究；数值模拟【Abstract 】The subject of VIVs is part of a number of disciplines,incorporating fluid mechanics,structural mechanics,vibrations,computational fluid dynamics (CFD),acoustics,wavelet transforms,complex demodulation analysis,statistics,and smart materials.Vortex-induced vibration (VIV)of structures is of practical interest to many fields of engineering.There are three methods on vortex -induced vibration ：Experimental,Numerical simulations,semi-empirical formula,and now we mainly introduce Experimental studies and Numerical simulations on vortex-induced vibration. 【Key words 】Vortex-induced vibration ；Objective ；Experimental ；Numerical simulations 作者简介：房建党（1988，9—），男，汉族，安徽砀山人，上海海事大学在读研究生，机械设计及理论专业，研究方向为港口与海洋装备工程。 ○高校讲坛○216

圆柱横向涡激振动数值模拟研究

圆柱横向涡激振动数值模拟研究摘要：以弹性支撑的刚性圆柱体为研究对象，基于k-w SST湍流模型对亚临界状态下的（Re=10000）圆柱横向涡激振动进行数值模拟，探讨单向流体对圆柱横向涡激振动的影响。研究圆柱横向涡激振动现象的产生以及边界层对涡激振动的影响，同时观察该工况下圆柱尾流中漩涡脱落形态，从而验证已有的相关理论。关键词：涡激振动；边界层；漩涡脱落 1.引言圆柱涡激振动（V ortex-Induced Vibration，简称VIV）存在于实际工程中的许多领域，特别是随着海洋石油的发展，海洋管道涡激振动而疲劳失效问题越来越受到人们的关注。过去的几十年，国内外许多专家学者对圆柱涡激振动进行了持续不断的研究，并取得了大量的研究成果。Williamson & Govardhan.R [1-6]等人在其综述中对近些年来圆柱涡激振动研究所取得的进展做了详细的阐述。本文通过将圆柱简化成二维的质量阻尼弹簧系统，建立数值模型，研究单向流动下圆柱横向涡激振动的动力响应及圆柱尾流场中漩涡脱落的过程。基于CFX 软件，采用k-w SST湍流模型对亚临界状态下（Re=10000）圆柱横向涡激振动进行数值模拟研究。 2.控制方程 2.1 流体控制方程粘性流动的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）连续性方程：其中：是流体密度；t表示时间；V表示笛卡尔坐标系下的速度向量场；u、v、w分别表示流体在x、y、z方向上的速度；表示笛卡尔坐标系下的向量算子 2.2圆柱运动控制方程将圆柱简化成质量阻尼弹性系统，只考虑圆柱在垂直与流向的升力作用下，系统的控制方程：其中m为圆柱体的质量；c为结构系统的阻尼系数；k为弹簧的刚度系数；表示作用在圆柱上垂直于流向的力，即横向升力 3.计算模型设定计算域的设定及网格模型如图3.1a所示，流体域的左侧为inlet边界，单向

海洋立管涡激振动的研究现状_热点与展望

第27卷　第4期2009年12月海洋学研究 JOURNAL OF MARINE SCIENCES Vol.27　No.4 Dec .,2009 文章编号:10012909X (2009)0420095207 收稿日期:2008210218 作者简介:黄旭东(1969-),男,天津市人,副教授,主要从事工程测量及海岸结构物设计理论研究。海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望黄旭东1,张　海1,2,王雪松1 (1.天津城市建设学院土木工程系,天津　300384;2.天津大学建筑工程学院,天津　300072) 摘　要:随着深海油气资源的开采,越来越多的研究者开始关注海洋立管的涡激振动问题。在海洋环境下,洋流是海洋立管的涡激振动的主要原因。当洋流流经立管时会在立管的两侧产生交替的泄涡,导致立管受到横流向和顺流向的脉动流体力。这被认为是海洋立管涡激振动的主要诱因。海洋立管的涡激振动是一个异常复杂的工程问题,它涉及许多科学上悬而未决的难题,如紊流、流动分离、分离点的漂移等等。此外,事先无法确定的立管的位置和立管与洋流之间的相互作用又大大增加了解决这一问题的难度。尽管近几十年里科学界在此方面做了大量的研究工作,一个能够准确、高效、经济地预报海洋立管涡激振动的方法仍然没有得到。即便如此,最近的研究工作依然在许多方面作出了突出的成就。首先介绍了涡激振动的背景知识和基础理论。随后,回顾了近年来海洋立管涡激振动方面的研究成果。接着,重点介绍了当前海洋立管涡激振动领域内的两个热点研究问题,即:在多大程度上立管的顺流向振动能够影响立管的横流向振动,以及尾流的三维效应是如何影响立管的涡激振动响应的。最近的研究发现,当结构与流体的质量比小于6时,顺流向振动能显著增大横流向振动的振幅。最近的研究还发现,立管尾流的三维特性和立管受到流体力的轴向相关度有密切关系。随着流动的发展(海流折合速度从0增加到12),立管尾流的三维特性发生变化,在初期,立管尾流的三维特性不明显,流体力的轴向相关度基本等于1,也就是说,流体力和立管的位移响应是同步的,因此能量不断地由海流向立管转移,导致立管的振幅不断增大。当海流折合速度大于6时,流体力的轴向相关度由1锐减到负值,此时,立管尾流的三维效应显著。最后针对今后海洋立管的涡激振动的研究提出一些建议。关键词:涡激振动;海洋立管;综述中图分类号:TE53 文献标识码:A 0　引言在陆地石油资源开采日渐萎缩的今天,加速开发海洋石油资源已经成为世界各国的共识。据不完全统计,世界海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%,全球海洋石油蕴藏量约为1000多亿t ,其中已探明的储量约为380亿t 。在我国300多万km 2的蓝色国土中,约有360亿t 石油资源量。其中,我国南海是世界4大海洋油气资源带之一,其石油储量约为230～300亿t ,号称全球“第二个波斯湾”。海洋立管是深海石油生产系统的关键组成部分, 它是联系水面平台装置和海底设备的重要通道。因此,准确计算出海洋立管在实际海洋环境中受到的载荷,及其在荷载作用下的动力响应,具有重要的经济价值和社会效益。在海洋环境中,激发立管振动响应的主要因素是海流引起的涡激振动(Vortex 2induced Vibration ,V IV )。当海流流经立管时,会在立管两侧的尾流区发生交替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联,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。在海流引发交替泄涡导致立管振动的同

悬索桥的风致振动及控制方法的探讨

悬索桥的风致振动及控制方法的探讨刘琳娜，何杰，王志春武汉理工大学，道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，湖北武汉（430070）摘要：风对悬索桥的作用是十分复杂的现象，随着桥梁结构的大跨度发展，桥梁对风作用反应的敏感和复杂逐渐成为设计的控制因素。本文章就悬索桥的三个重要组成部分——梁体，主塔以及缆索各自的风致振动研究现状和控制方法进行了分析介绍，同时探讨了悬索桥应该进一步研究的风致振动方面的问题。关键词：悬索桥，风致振动，振动形式，控制方法 1. 引言悬索桥以其受力性能好、跨越能力大、轻型美观，抗震能力好，而成为跨越江河、海峡港湾等交通障碍的首选桥型。由于桥梁是裸露于地球表面大气边界层内的建筑物，不可避免的会受到风的作用。而且随着桥梁理论的不断完善和施工技术的不断提高，桥梁结构型式向轻型化、长大化发展[1]，这就使风对桥梁的作用更加明显。风荷载逐渐成为悬索桥设计的主要控制荷载。然而，桥梁界对风对桥梁的作用的认识是在惨痛的历史教训中总结发展的。据不完全统计，18世纪以来，世界上至少有11座悬索桥由于风的作用而毁坏[2]。直到1940年秋，美国华盛顿州建成才4个月的Tacoma吊桥在不到20 m/s 的8级大风作用下发生破坏才引起了国际桥梁工程界和空气动力界的极大关切。目前，世界上已修建的最大跨度的悬索桥为日本的明石海峡大桥，其主跨跨度已达到1990m，而一些跨度更大的特大跨悬索桥，如Messina海峡大桥、Gilbralter海峡大桥也己先后提上议事日程。随着我国经济的迅速发展，桥梁建设事业也得到了飞速发展，我国也己成功修建了汕头海湾大桥、广东虎门大桥、西陵长江大桥和江阴长江大桥等多座悬索桥，尤其江阴长江大桥跨度达到1385米，进入世界前列；目前还有多座大跨悬索桥在规划中，如珠江口伶仃洋跨海工程、杭州舟山大桥等。因此，二十一世纪中国的桥梁事业将有更崭新的发展。随着悬索桥跨度的增加，结构刚度和阻尼显著下降，因此对风的作用更为敏感，从而抗风设计已逐渐成为大跨悬索桥设计中的控制因素。而对于悬索桥风致振动及其控制方法的研究也显的越来越重要了。悬索桥的风致振动在其结构上主要表现为梁体、主塔、缆索等三个构件的振动，因此本文从这三个构件的风致振动机理的研究入手，借以探讨对悬索桥各个构件的控制方法。 2. 梁体的风致振动和控制方法由于悬索桥轻柔、大跨的性质，梁体的振动机理是最受关注的，一般来说，其主要风致振动形式有两种——对桥梁具有摧毁作用的颤振和最常见的抖振。 2.1 颤振颤振是一种危险性的自激发散振动。对于近流线型的扁平断面可能发生类似机翼的弯扭耦合颤振。对于非流线型断面则容易发生分离流的扭转颤振[3]。上述两种颤振分析理论可以较好地解决悬索桥的颤振问题。对桥梁结构进行颤振分析可首推Bleich，他于1948年首次将以Theodorson函数为基础

两自由度圆柱体的涡激振动

www.elsevier.nl/locate/jnlabr/yjfls Journal of Fluids and Structures 17(2003)1035–1042 Special Brief Note Vortex-induced vibration of a cylinder with two degrees of freedom N.Jauvtis,C.H.K.Williamson* Mechanical and Aerospace Engineering,Cornell University,252Upson Hall,Ithaca,NY 14853,USA Received 2July 2002;accepted 21March 2003 Abstract In this work,we study the response of an elastically mounted cylinder,which is free to move in two degrees of freedom in a ?uid ?ow,and which has low mass and damping.There has been a great deal of work concerned with bodies restrained to move in the direction transverse to the free stream,but very few studies which comprise motion in both the transverse (Y )and in-line (X )directions.In such cases,it has generally been assumed that in-line response would dramatically change the character of the wake vortex dynamics as well as the transverse body response.We ?nd in the present work that,surprisingly,the freedom to move in two directions has very little effect on the transverse response,the modes of vibration,or the vortex wake dynamics (for a body of similar low mass ratio (relative density)in the range m n ?5225).For low values of normalised velocity (U n B 224)below the classical synchronisation regime for transverse response,we ?nd two in-line vibration modes,which are associated with symmetric and antisymmetric vortex wake modes,corresponding well with the modes discovered by Wooton et al.and by King for a ?exible cantilever.Coupled with a parallel effort by D.O.Rockwell’s group at Lehigh,these experiments form the ?rst such studies in which both the oscillating mass and the natural frequency are precisely the same in the X and Y directions.A principal conclusion from this investigation is that it demonstrates the validity,for bodies in two degrees of freedom,of employing the existing comprehensive results for bodies restrained to vibrate only in the transverse Y -direction,even down to low mass ratios of m n ?5: r 2003Elsevier Ltd.All rights reserved. 1.Introduction Vortex-induced vibration of structures is of practical interest in many branches of engineering,for example in aeroelastic applications where the ?uid is air,yielding mass ratios m n of order 100(m n =mass of oscillating structure/displaced ?uid mass),or in hydroelastic applications in water,where m n is of order 1or 10.In most practical cases,cylindrical structures (such as riser tubes or heat exchangers;to name two examples)have a mass ratio,which is the same in both the streamwise (X )and transverse (Y )directions,and the same natural frequencies in these two directions.Contrasting with previous studies,we therefore focus on a design which ensures similar mass and similar frequencies in these two directions,and we introduce the resulting pendulum apparatus later in Section 2. The problem of vortex-induced vibration of cylinders free to respond transverse to the ?uid ?ow has been well studied,and several reviews discuss this problem [see Sarpkaya (1979);Bearman (1984);Naudascher and Rockwell (1993);Sumer and Fredsoe (1997),for example].The work of Feng (1968)at high mass ratios,m n ?320;demonstrates that the resonance of a body,when the oscillation frequency coincides with the vortex formation frequency,will occur over a regime of normalised velocity U n (where U n ?U =f N D ;f N ?natural frequency;D ?diameter)such that *Corresponding author. E-mail address:cw26@https://www.wendangku.net/doc/643693762.html, (C.H.K.Williamson). 0889-9746/03/$-see front matter r 2003Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/S0889-9746(03)00051-3

圆柱体涡激振动缩尺实验的相似关系研究

International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学, 2014, 2, 35-45 Published Online September 2014 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/643693762.html,/journal/ijfd https://www.wendangku.net/doc/643693762.html,/10.12677/ijfd.2014.23004 Study on the Similarity Relation of Model Test of Vortex-Induced Vibration on Circular Cylinders Yang Zhou*, Weiping Huang Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao Email: *edit502@https://www.wendangku.net/doc/643693762.html, Received: Aug. 10th, 2014; revised: Sep. 1st, 2014; accepted: Sep. 8th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/643693762.html,/licenses/by/4.0/ Abstract An experimental method, based on Reynolds number similarity, of the vortex-induced vibration (VIV) of circle cylinders is proposed to achieve VIV similarity between prototype and tested model. The VIV response of a circle cylinder is closely related to Reynolds number because the mode of vortex shedding highly depends on Re. However, the scaled model test of circle cylinder’s VIV is designed based on Froude number similarity but Reynolds number is not similar under the same fluid for both model and prototype. Therefore, the VIV response of tested model is not similar to that of the prototype because they have different vortex shedding modes. It means that the test results can not be used to predict the VIV response of the prototype according to the scaling law based on Froude number similarity. The prototype and three scaled models with different simi-larity schemes have been simulated using CFD to validate the method and at the same time, expe-riments are compared. The numerical results show that the similarity between prototype and model is satisfying by Reynolds number similarity, and it is in accordance with both Froude num-ber and Reynolds number similarity. But the similarity between prototype and model is not satis-fying by Froude number similarity. The experimental results show that the similarity of period of the vortex shedding is satisfying by Reynolds number similarity but not satisfying by Froude number similarity. As a result, Reynolds number similarity should be used in the scale model test instead of Froude number similarity when studying the characteristics of VIV. Keywords Vortex-Induced Vibration (Viv), Cylinder, Cfd, Reynolds Number Similarity, Froude Number Similarity *通讯作者。

结构抗风及研究

结构抗风及研究学号：05109230 姓名：杨旭专业：土木工程随着现代工程结构技术的发展，结构对于设计的要求越来越高。与传统的主要以静力荷载设计相比，现今的结构设计对于动力荷载设计尤其结构抗震以及结构抗风提出了许多的新要求。因此本文将对风荷载进行一番认识与理解，对于风荷载引起的振动将提出一些解决的办法以及原理，抗风研究的现状以及对于未来的展望。摘要：本论文包含以下三个主要内容：结构风荷载介绍；斜拉桥的抗风减震措施及原理；抗风研究的现状以及对于未来的展望。 Abstract:this thesis will contain the three main components as follows: the introduction of the Wind Load; the measures and principle of resistance to wind and earthquake in the cable stayed bridge; the present situation and prospect of wind research. ChapterA: 1.风荷载标准值计算公式 Wo—基本风压，根据当地空旷平坦地面离地高10米10分钟的平均风速，50年一遇最大值Vo(基本风速)换算而来; Uz—风压高度系数；Us—风载体形系数；Bz:—风振系数;Ur—重现期调整系数。 2.基本风压风压由风速换算而成。风速的年极值分布不拒绝极值I型分布。基准期T年的极值分布为基本风速可在T年的极值分布上取某一分位值。但《荷载规范》是以平均重现期为50 年来规定风速的基准值的。重现期是指连续两次超过x的时间间隔。若则表示在连续n年中有一年的X>x，其它n-1年中的X<=x。因此平均重现期是随机变量的数学期望，即即每年小于基本风速的保证率为9 8;设计基准期50年内小于该风速的保证率(0.98)s0=36.4。根据基本风速可换算成基本风压Wo。当重现期不等于T时乘以修正系数Ur。风荷载的组合值系数为0.6、频遇值系数0 .4、准永久值系数0 3.风压高度系数在梯度风高度范围内，任意高度z的风速与H高度风速的关系为

海洋立管涡激振动计算方法进展_秦延龙

第23卷第4期2008年8月中国海洋平台CHI NA O FFSH OR E PL AT FO RM V ol.23N o.4A ug.,2008收稿日期:2008-01-22 基金项目:国家863计划海洋领域重大项目(2006AA09A104)作者简介:秦延龙(1956 ),男,高级工程师,从事海洋工程及深海采油平台研究。文章编号:1001 4500(2008)04 014 04 海洋立管涡激振动计算方法进展秦延龙, 王世澎 (中国石油集团工程技术研究院,天津300451) 摘要:针对海洋立管的涡激振动的计算问题,评述了近年来国内外研究进展,并对未来的发展趋势进行展望。关键词:涡激振动;计算方法;经验模型;CF D 中图分类号:P75 文献标识码:A COMPUTATIONAL METHODS PROGRESS OF THE VORTEX INDUCED VIBRATION OF OCEAN RISERS QIN Yan long, WA NG Shi peng (CNPC Research Institute of Engineering Technolog y,Tianjin 300451,China) Abstract:T his paper reviews the liter ature on the com putational metho ds used to investi gate vor tex induced vibration (VIV )of ocean risers in r ecent years.Through conclusion, highlighting the natur e of VIV and how to reduce vibration amplitude ar e the key w ork in the future. Key words:vo rtex induced vibration;com putational m ethods;em pirical models;CFD 0 简介海洋立管是海洋平台或钻探船舶与海底井口间的主要连接件。立管系统在工作期间,内部有高压的油和气通过,外部承受海洋环境荷载、冲击荷载以及浮式装置运动等,受力复杂。当波浪、海流经过立管时,在一定的流速下会产生漩涡脱落,使得立管发生横向振动,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,因此立管系统的涡激振动问题,受到各国学者的重视,进行了大量的实验和数值模拟工作,并且建立了很多涡激振动模型。本文依托于国家863计划海洋技术领域重大项目深水半潜式钻井平台关键技术 ,针对国内外近年来关于涡激振动计算方法进行归纳总结与评述。对于海洋工程而言,涡激振动(VIV)的分析方法主要有两种:(1)通过实验或参数预测的手段,依靠试验数据去获得有效的计算结果;(2)利用CFD 技术求解Nav ier Sto kes 方程,直接求得水动力项。具体如图1所示。然而,随着近来计算机软硬件以及CFD 计算方法的发展,越来越多的研究者开始采用数值方法。数值方法可以在理想的条件下精确控制影响参数的量值。可以准确地追踪流体力、结构的位移以及流场信息,而不需要像模型实验中那样从实验仪器中提取并经过复杂的数据处理手续。

桥梁结构涡激振动实例及减振措施比较研究

桥梁结构涡激振动实例及减振措施比较研究摘要：针对设计中不被重视的涡激共振问题，讨论了桥梁结构涡激振动及其响应分析的复杂性，介绍了几座国外大跨度桥梁结构的涡激振动问题，并比较分析了这些桥梁结构所采用的不同减振措施方案，推荐设计阶段首先选择气动控制措施来抑制桥梁涡激振动，而已建成的桥梁发生涡振病害则更适宜选用机械减振措施。abstract： in view of the ignored problem of vortex-induced resonance in design， this article analyzes vortex-induced vibration of bridge structure and the complexity of response analysis. the vortex-induced vibration problem of some foreign large span bridge structures is introduced and different vibration reducing measures of these bridges are analyzed and compared. it is recommended that pneumatic control measures be firstly used to control the vortex-induced vibration of bridges in design phase， while for vortex-induced vibration of built-up bridges， mechanical vibration reduction measures are more appropriate. 关键词：桥梁；涡激振动；振动控制；气动措施 key words： bridge；vortex-induced vibration；vibration control；pneumatic measures 中图分类号：u441 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）24-0100-03

风致动力效应

1.3.2风对高层建筑的作用高层建筑，特别是超高层建筑大都具有柔性大、阻尼小的特点，这样使得风荷载成为其结构设计时的主要控制荷载。风荷载作用于高层建筑，会产生明显的三维荷载效应，即顺风向风荷载、横风向风荷载和扭转风荷载。在三维动力风荷载的作用下，高层建筑在顺风向、横风向和扭转方向产生振动。第1章绪论 1.3. 2.1顺风向风效应我国荷载规范[80】中给出了高层建筑顺风向平均风荷载的计算公式: 矶=刀:户:拜，叽(l一10) 式中:哄为高层建筑:高度处的平均风压;叽为10米高度处的基本风压(我国规范Is0】中给出的基本风压是基于B类地貌条件的，其它地貌条件下要进行相应的转化);户:和户，分别为风压高度系数和体型系数;几为考虑脉动放大效应的风振系数。一般认为顺风向脉动风荷载符合准定常假定，即顺风向风荷载的脉动主要由顺风向风速脉动引起。Davenportl吕’l和几mural82]等提出利用脉动风速功率谱转化得到顺风向风荷载功率谱的方法，许多学者还通过风洞试验的方法得到高层建筑顺风向风荷载谱的经验公式183.851。高层建筑顺风向振动以一阶模态振动为主，一般假定高层建筑一阶振型为线性，但近年来部分学者对线性假定提出异议，并给出了振型修正的计算方法186-87]，顺风向风振的计算中必须考虑风荷载的水平和竖向空间相关性188】。 1.3. 2.2横风向风效应横风向风荷载由尾流激励、来流紊流和结构横向位移及其对时间的各阶导数引起的激励等因素构成，但主要是由结构尾流中的漩涡脱落引起建筑物两侧气压交替变化所致189】。当建筑物高度较低或高宽比不大时，结构的顺风向风致响应大于横风向响应;而近年来大量的风洞试验和现场实测证明，当高层建筑的高宽比大于4时，其横风向风振响应往往会超过顺风向响应，成为结构设计的控制性因素190]。由于横风向风荷载机理复杂以及横风向振动的重要性，使得这方面的研究一直是风工程界的热点问题。横风向风荷载不符合准定常假定，因此横风向风荷载谱不能根据脉动风速谱得到1841，风洞试验是研究高层建筑横风特性的主要手段。国外的ohkuma[01]、H.choil92)以及国内的梁枢果[93]、顾明194]、徐安【84]等都相继提出了横风向风荷载功率谱的数学模型。横风向风振应通过随机振动理论计算，vicke夕95】、Kareem[9e]和Kwoklgv]等对高层建筑横风向振动的计算方法进行了详细的阐述和探讨;梁枢果等给出了矩形高层建筑横风向风振响应的简化计算方法[98]。 1.3. 2.3扭转风效应扭转风荷载则是顺风向紊流、横风向紊流和漩涡脱落共同作用的结果l”]。高层建筑的浙江大学博士学位论文2008 风致扭转力矩与结构的平面形状有很大关系，往往平面形状不规则的高层建筑会引起较大的风致扭矩，从而导致较大的扭转响应。xIEJi而ng等199]在研究多幢高层建筑风扭矩的基础上，提出了结构“等效偏心”的概念。