渦激振動

渦激振動(VIV)概述

對於海洋工程上普遍採用的圓柱形斷面結構物，這種交替發放的瀉渦又會在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動壓力。如果此時柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發生彈性變形，那么脈動流體力將引發柱體(管體)的周期性振動，這種規律性的柱狀體振動反過來又會改變其尾流的瀉渦發放形態。這種流體一結構物相互作用的問題被稱作“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在處理渦激振動問題時，把流體和固體彈性系統作為一個統一的動力系統加以考慮，並找到兩者的耦合條件，是解決這個問題的重要關鍵。在渦激振動過程中，流體的動壓力是一種作用於彈性系統的外載入荷，動壓力的大小取決於彈性系統振動的位移、速度和加速度;另一方面，流體動壓力的作用又會改變彈性系統振動的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質表現為流體對於彈性系統在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現象。

由慣性耦合產生附連質量，在有流速場存在的條件下，由阻尼耦合產生附連阻尼，由彈性耦合產生附連剛度。流體的附連質量、阻尼和剛度取決於流場的流動特徵參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統的特性，其關係式相當複雜。用實驗或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。

實驗證明，漩渦的發放頻率f可用無量綱參數斯特勞哈爾數St（Strouhal Number）來表示，表達式為：

f=St*V/D

St是構件剖面形狀與雷諾數Re的函式，其定義式為St=D/（V*T）。

其中：V為垂直於構件軸線的速度（m/s）；

D為圓柱直徑或柱體的其他特徵長度（m）；

、　 T為相關的特徵時間（s）。

研究方法

目前，主要的研究方法有三種：

實驗方法

瀉渦脫落引發的渦激振動是一個多物理場耦合，相互作用的複雜過程。需要具有一套完整物理實驗方案和精密的實驗儀器可以把所有的渦激振動相關機型同步觀測，以測定其聯合效應。物理實驗往往很難同時提供流體的瞬時變化數據。

數值方法

振動問題。對於數值模擬方法，按照所使用湍流模型的不同，可以將渦激振動的數值模擬方法分為:直接數值模擬方法，雷諾平均N-S方程法，大渦模擬法，渦元法，還有基於上述各種方法的綜合。按照模擬方式的不同又可以分為基於彈性支撐的剛體二維模擬，基於彈性體二維渦元模擬和三維結構插值積分的離散渦元法模擬，以及對於彈性體完全使用三維模型的全流域模擬等等

半經驗公式

半經驗公式主要有尾流陣子，單自由度模型，流體力組分模型。

流固耦合數值計算軟體

Ansys+CFX

Fluent+Abaqus

Adina

COMSOL Multiphysics(FEMLAB)

共振現象

假若構件的自振頻率與漩渦的發放頻率相接近就會使結構發生共振破壞，這種現象容易發生在高聳結構物上，因此這種渦激振動是極其有害的，需採取措施阻止它的發生。一般可採取兩方面措施：一是對於構件進行剛性加固，或者增大尺度提高其剛度，改變構件的自振頻率，避免它與漩渦發放頻率相接近；二是想辦法改變構件後的尾流場，破壞尾流場漩渦的規律性泄放，如在結構上安裝螺旋線立板和改變結構截面形狀等。