附加流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动研究

There exist safety problems caused by vortex induced vibration (VIV)due to vorex shedding behind circular cylinder in many engineering fields. The most effective method is the control of votex shedding and VIV.However, most of the traditional control methods cannot adapt the effect of flow direction variation. This project propose using new flexible sturctures of self-developed fish like and combination of ribbons, which can be adapted to the varing inflow directions, to control the vortex shedding and VIV of cirular cylinder. The main contents include: propose key model parameters, design and build various stucture models; carry out numerical simulation of flow around fixed cylinder to reveal the flow control mechanism by applying the high resolution numerical simulation methods of self-developed; Design the wind tunnel experimental models and experimentally study the control mechanism of tail vortices and VIV for fixed and vibrating circular cylinders; Design the typical water tunnel experimental models and experimentally study the control mechanism of tail vortices and VIV for vibrating circular cylinders; Detailedly analyze the mechanism from the numerical and experimental data, and explore adaptive range of the effective and key parameters, which may provide a new technioque way to control vortex shedding and VIV, and also has theoretical instructive significance and practical support for the design, application and safety protection of relative structures in the many fields such as ocean, civil, bridge, power and energy engineerings, etc. The study results may have widely aplication foreground in many industrial fields.

在许多工程领域都存在圆柱泄涡诱发的涡激振动疲劳破坏引起的安全问题，最有效的方法是控制柱体尾涡和抑制涡激振动。传统的控制方法大多不能适应流向变化的影响。本课题提出自主的仿鱼尾和组合式飘带两类流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动。主要研究内容包括：建立模型关键性参数，设计并制作各种柔性结构新模型；利用自我发展的高精度数值模拟方法对固定圆柱下尾涡控制进行数值模拟；设计风洞实验模型、实验研究固定和振动状态下圆柱的尾涡及涡激振动控制机理；设计典型水洞实验模型、实验研究振动状态下圆柱尾涡及涡激振动控制机理；深入分析计算和实验中的机理，探索高效的新型结构及其关键性参数的适应范围，为尾涡及涡激振动控制提供新的技术路线，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障提供理论指导和技术支撑，其成果在许多领域具有广阔的应用前景。

在许多工程领域如海洋工程及风工程领域，都存在圆柱泄涡诱发的涡激振动疲劳破坏引起的安全问题，最有效的方法是控制柱尾涡和抑制涡激振动，在圆柱上或周围附加抑制装置的被动控制方法是研究的热点。但传统的控制方法大多不能适应流向变化的影响。本课题提出附加柔性结构探讨流动与涡激振动控制的机理，开展了利用流行的圆柱控制装置以及自主的仿鱼尾和组合式飘带类流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动研究。主要研究内容包括：建立了若干类刚性及柔性模型（螺旋、整流罩、分离盘、仿鱼尾、绒毛、飘布、飘带等）关键性参数，设计并制作了各种传统模型以及柔性结构新模型；一方面利用自我发展的高分辨率数值模拟求解器（TVD-FVM-EVVT及TVD-FVM-VIV）对固定圆柱附加抑制装置的尾涡控制进行数值模拟，对自由振动圆柱附加抑制装置的涡激振动控制进行数值模拟；另一方面，分别设计了大和小质量阻尼系数的风洞实验模型，研究了固定和振动状态下圆柱的尾涡及涡激振动控制机理；设计了典型水槽实验模型，研究了圆柱附加典型装置控制涡激振动的机理。通过深入研究，获得了抑制圆管尾流和涡激振动的基础材料、基本结构与几何参数，获得了最佳抑制装置，如短尾型整流罩、短的柔性分离盘、最佳角度和尾长的仿鱼尾结构、柔性布、绒毛等结构；深刻揭示了圆管尾流和涡激振动控制中的尾涡结构、流体力系数、频率变化、流激振动、驰振等机理; 首次数值复现了近期实验中发现的驰振现象，首次风洞发现了柔性结构的驰振现象。有些结构，特别是长尾结构无论是刚性还是柔性结构都可能引起比传统VIV更不利的驰振现象，相对来说，仿鱼尾结构基本上都能减弱涡激振动且不易产生驰振。本研究为尾涡及涡激振动控制提供了新的技术路线，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障提供了理论指导和技术支撑，特别是发现驰振反而带来更大的安全隐患，也从新的角度为未来相关工程尤其是深水立管或隔水管涡激振动抑制的研究与实际应用提出了新的课题。本研究共发表学术论文22篇，其中SCI高水平论文7篇。