典型圆柱涡激振动抑制系统的驰振机理研究

The failure of the cylinder structures caused by the vortex-induced vibration (VIV) from the vortex shedding of flow around circular cylinder has been the focus of attention by many fields. Various VIV suppression devices have been put forward and applied. However, in the recent studies, some VIV suppression systems have been found to cause strong low-frequency and high amplitude galloping oscillation, which may bring a larger risk of structure failure than the VIV. This phenomenon is recently cognized in the ocean engineering. Our research team has also partly verified the existence of galloping, while there still lacks a deep research. The present project put forward to use the fairings and the splitter plates as the basic attachment structures to study the galloping mechanism of the typical VIV suppression systems for the circular cylinder. We will build the key computational and experimental parameters of the models, design the key support structures, study the galloping oscillation characters in a wind tunnel under different conditions which include fixed/elastic support; close/ separate attachment; different inflow attack angles and a large range of the reduced velocity, mutually verify the self-developed high-resolution numerical simulation methods with the experimental models, numerically study the galloping oscillations of other structures, research the mechanism behind the galloping oscillation and deeply reveal the VIV suppression mechanism (positive effect) and the galloping exciting mechanism (negative effect) of the VIV suppression devices. The study may provide the theoretical guidance and the technique support for the relative structure design, application and maintenance in the ocean, civil, bridge and energy engineering. It will also provide the guidance for the electricity generation using the VIV and galloping.

圆柱绕流泄涡诱发涡激振动引起的安全问题已成为许多领域关注的焦点，多种涡激振动抑制装置被广泛研究与应用。然而近期研究发现，部分抑制系统存在比涡激振动更严重的安全隐患—低频高幅值驰振现象，开始引起海洋工程界关注，我们近期也有一定程度证实，但缺乏深入研究。本项目提出以整流罩和分离盘为典型附属结构，研究圆柱涡激振动抑制系统的驰振机理。包括：建立模型关键参数，设计关键支撑结构，风洞实验研究固定/弹性支撑、紧密/断开连接方式、不同攻角、大范围约化速度下结构系统的驰振机理；建立自主的高精度数值模拟模型对实验模型进行相互验证研究；数值模拟其他结构的驰振特性；探索发生驰振的条件、机制、转化乃至控制等核心科学问题，深入揭示涡激振动控制（正面效应）及驰振（负面效应）机理，为海洋、土木、桥梁、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，也将对利用涡激振动和驰振发电研究提供一定的指导作用。

圆柱绕流泄涡诱发涡激振动引起的安全问题已成为许多领域关注的焦点，多种涡激振动抑制装置被广泛研究与应用,比如整流罩和分离盘是流行的两种抑制方式，特别是整流罩有不少工程应用案例。但是近期研究发现它们在一定条件下存在驰振现象。低质量阻尼比的圆柱结构发生驰振通常是持续的大幅值低频强振，如果运用或设计不当，完全不能起到振动抑制的效果，反而加速结构破坏，这开始引起海洋工程界关注，我们前几年实验或数值中都有类似的发现，但缺乏深入研究。本项目针对整流罩和分离盘为主的典型附属结构(同时考虑了其他附属结构如多管)，深入研究了圆柱涡激振动抑制系统的流激振动机理、模式特征及这些模式的转换机制。利用先进的PIV流场测试技术和POD、DMD等解析其存在的物理机制。具体成果体现为：（1）建立了典型抑制系统涡激振动/驰振研究的风洞实验方法和测试平台、水槽实验方法与测试平台、自主高精度与高效数值模拟分析平台；搭建了非接触式激光位移传感器振动响应测试和典型流场测试系统（自制PIV测试系统、热线测试系统）。建立了在ALE框架下的高精度流固耦合模拟求解器TVD-EVVT-FVM-FIV，及高效流固耦合模拟求解器DVM-FEM-FIV。（2）通过风洞实验、水槽实验和数值模拟的深入研究，揭示了圆柱附属分离盘和整流罩典型抑制装置的关键参数除了雷诺数、约化速度、刚度、阻尼等影响外，特别重要的参数是其几何尺寸，如分离盘的流向长度、整流罩的顶角及尾部结构长度，是引发涡激振动、驰振、弱涡激振动、弱驰振、涡激振动与驰振的耦合、弱耦合、强耦合以及涡激振动或驰振的抑制等现象或模式及模式转换的关键。提出仿鱼尾整流罩和双分离盘来抑制流激振动，发现前者在柔性鱼尾0.8-1.3倍直径，后者在大夹角时都能抑制流激振动95%以上。揭示了发生驰振的条件、机制、转化乃至控制等核心科学问题。（3）研究表明，可利用驰振来获取能量，为新能源的发展提供了一种潜在的手段。（4）本研究为涡激振动、流激振动控制及利用提供了新的技术路线和新的机理认识，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障和新能源利用提供了理论指导和技术支撑。（5）本项目共发表学术论文25篇，其中SCI高水平论文 18篇。培养博士生5名，硕士生3名，已毕业博士3名，硕士3名。获得授权发明专利1项，软件著作权2项。