附加流動適應性柔性結構控制圓柱尾渦及渦激振動研究

《附加流動適應性柔性結構控制圓柱尾渦及渦激振動研究》是依託上海交通大學，由王嘉松擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：附加流動適應性柔性結構控制圓柱尾渦及渦激振動研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王嘉松
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

在許多工程領域都存在圓柱泄渦誘發的渦激振動疲勞破壞引起的安全問題，最有效的方法是控制柱體尾渦和抑制渦激振動。傳統的控制方法大多不能適應流向變化的影響。本課題提出自主的仿魚尾和組合式飄帶兩類流動適應性柔性結構控制圓柱尾渦及渦激振動。主要研究內容包括：建立模型關鍵性參數，設計並製作各種柔性結構新模型；利用自我發展的高精度數值模擬方法對固定圓柱下尾渦控制進行數值模擬；設計風洞實驗模型、實驗研究固定和振動狀態下圓柱的尾渦及渦激振動控制機理；設計典型水洞實驗模型、實驗研究振動狀態下圓柱尾渦及渦激振動控制機理；深入分析計算和實驗中的機理，探索高效的新型結構及其關鍵性參數的適應範圍，為尾渦及渦激振動控制提供新的技術路線，也為海洋、土木、橋樑、動力、能源等領域相關結構的設計、使用和安全保障提供理論指導和技術支撐，其成果在許多領域具有廣闊的套用前景。

結題摘要

在許多工程領域如海洋工程及風工程領域，都存在圓柱泄渦誘發的渦激振動疲勞破壞引起的安全問題，最有效的方法是控制柱尾渦和抑制渦激振動，在圓柱上或周圍附加抑制裝置的被動控制方法是研究的熱點。但傳統的控制方法大多不能適應流向變化的影響。本課題提出附加柔性結構探討流動與渦激振動控制的機理，開展了利用流行的圓柱控制裝置以及自主的仿魚尾和組合式飄帶類流動適應性柔性結構控制圓柱尾渦及渦激振動研究。主要研究內容包括：建立了若干類剛性及柔性模型（螺旋、整流罩、分離盤、仿魚尾、絨毛、飄布、飄帶等）關鍵性參數，設計並製作了各種傳統模型以及柔性結構新模型；一方面利用自我發展的高解析度數值模擬求解器（TVD-FVM-EVVT及TVD-FVM-VIV）對固定圓柱附加抑制裝置的尾渦控制進行數值模擬，對自由振動圓柱附加抑制裝置的渦激振動控制進行數值模擬；另一方面，分別設計了大和小質量阻尼係數的風洞實驗模型，研究了固定和振動狀態下圓柱的尾渦及渦激振動控制機理；設計了典型水槽實驗模型，研究了圓柱附加典型裝置控制渦激振動的機理。通過深入研究，獲得了抑制圓管尾流和渦激振動的基礎材料、基本結構與幾何參數，獲得了最佳抑制裝置，如短尾型整流罩、短的柔性分離盤、最佳角度和尾長的仿魚尾結構、柔性布、絨毛等結構；深刻揭示了圓管尾流和渦激振動控制中的尾渦結構、流體力係數、頻率變化、流激振動、馳振等機理; 首次數值復現了近期實驗中發現的馳振現象，首次風洞發現了柔性結構的馳振現象。有些結構，特別是長尾結構無論是剛性還是柔性結構都可能引起比傳統VIV更不利的馳振現象，相對來說，仿魚尾結構基本上都能減弱渦激振動且不易產生馳振。本研究為尾渦及渦激振動控制提供了新的技術路線，也為海洋、土木、橋樑、動力、能源等領域相關結構的設計、使用和安全保障提供了理論指導和技術支撐，特別是發現馳振反而帶來更大的安全隱患，也從新的角度為未來相關工程尤其是深水立管或隔水管渦激振動抑制的研究與實際套用提出了新的課題。本研究共發表學術論文22篇，其中SCI高水平論文7篇。