Войти
Численное моделирование вихревых колебаний при обтекании кругового цилиндра. В динамике жидкости, вихревые индуцированные колебания ( VIV ) являются движения индуцируемых на телах, взаимодействующих с внешним потоком текучей среды, производимые, или производя движения, периодические неровности на этом потоке.
Классический пример - подводный цилиндр VIV. Как это происходит, можно увидеть, поместив цилиндр в воду (бассейн или даже ведро) и перемещая его по воде в направлении, перпендикулярном его оси. Поскольку реальные жидкости всегда имеют некоторую вязкость, поток вокруг цилиндра будет замедляться при контакте с его поверхностью, образуя так называемый пограничный слой. Однако в какой-то момент этот слой может отделиться от тела из-за его чрезмерной кривизны. Вихрь затем формируется, изменяя распределение давления вдоль поверхности. Когда вихрь не формируется симметрично вокруг тела (относительно его средней плоскости), с каждой стороны тела развиваются разные подъемные силы, что приводит к движению поперек потока. Это движение изменяет характер образования вихря таким образом, что приводит к ограниченной амплитуде движения (иначе, чем то, что можно было бы ожидать в типичном случае резонанса ). Затем этот процесс повторяется до тех пор, пока скорость потока существенно не изменится.
VIV проявляет себя во многих различных областях техники, от кабелей до трубных решеток теплообменников. Это также важный фактор при проектировании океанических сооружений. Таким образом, изучение VIV является частью многих дисциплин, включая механику жидкости, строительную механику, вибрации, вычислительную гидродинамику (CFD), акустику, статистику и интеллектуальные материалы.
Они возникают во многих инженерных ситуациях, таких как мосты, трубы, линии электропередачи, поверхности управления самолетами, морские конструкции, защитные гильзы, двигатели, теплообменники, морские кабели, буксируемые кабели, буровые и эксплуатационные стояки при добыче нефти, швартовные кабели, заякоренные конструкции, привязные конструкции, плавучесть и корпуса с лонжероном, трубопроводы, кабельные прокладки, элементы конструкций с оболочкой и другие гидродинамические и гидроакустические приложения. Самый последний интерес к длинным цилиндрическим элементам в воде связан с разработкой углеводородных ресурсов на глубинах 1000 м и более. См. Также и.
Вибрация, вызванная вихрями (VIV), является важным источником усталостных повреждений при разведочном бурении на море, при экспорте, эксплуатационных райзерах, включая стальные цепные райзеры (SCR) и связки или тросы платформы натяжных опор (TLP). Эти тонкие структуры испытывают как текущий поток, так и движения верхнего конца сосуда, которые вызывают относительные движения структуры потока и вызывают VIV.
Одна из классических задач механики жидкости с открытым потоком касается обтекания кругового цилиндра или, в более общем смысле, тела обтекания. При очень низких числах Рейнольдса (в зависимости от диаметра круглого элемента) линии тока результирующего потока совершенно симметричны, как и ожидалось из теории потенциала. Однако по мере увеличения числа Рейнольдса поток становится асимметричным и возникает так называемая вихревая дорожка Кармана. Движение цилиндра, создаваемое таким образом из-за образования вихрей, можно использовать для выработки электроэнергии.
Число Струхаля связывает частоту утечки со скоростью потока и характерным размером тела (диаметром в случае цилиндра). Он определяется как и назван в честь Ченека (Винсента) Струхаля (чешского ученого). В уравнении f st - частота образования вихрей (или частота Струхаля) тела в состоянии покоя, D - диаметр кругового цилиндра, а U - скорость окружающего потока.
Число Струхаля для цилиндра составляет 0,2 в широком диапазоне скоростей потока. Явление блокировки происходит, когда частота образования вихрей становится близкой к собственной основной частоте вибрации конструкции. В этом случае могут возникнуть сильные и разрушительные вибрации.
За последнее десятилетие был достигнут большой прогресс, как численно, так и экспериментально, в понимании кинематики ( динамики ) VIV, хотя и в режиме низких чисел Рейнольдса. Основная причина этого в том, что VIV - это не небольшое возмущение, наложенное на среднее установившееся движение. Это по своей сути нелинейное, самоуправляемое или саморегулируемое явление с множеством степеней свободы. Он представляет собой нестационарные характеристики потока, проявляющиеся в наличии двух нестационарных сдвиговых слоев и крупномасштабных структур.
Многое известно и понимается, и многое остается в эмпирической / описательной сфере знаний: какова основная частота отклика, диапазон нормированной скорости, изменение фазового угла (на который сила приводит смещение ), а амплитуда отклика в диапазоне синхронизации как функция управляющих и влияющих параметров? Промышленные приложения подчеркивают нашу неспособность предсказать динамический отклик при взаимодействии жидкости и конструкции. Они по-прежнему требуют ввода синфазных и противофазных компонентов коэффициентов подъемной силы (или поперечной силы), коэффициентов лобового сопротивления, корреляционных длин, коэффициентов демпфирования, относительной шероховатости, сдвига, волн и токов., среди других управляющих и влияющих параметров и, следовательно, также требуют ввода относительно больших коэффициентов безопасности. Фундаментальные исследования, а также крупномасштабные эксперименты (когда эти результаты будут распространены в открытой литературе) обеспечат необходимое понимание для количественной оценки взаимосвязей между реакцией конструкции и управляющими и влияющими параметрами.
Нельзя достаточно сильно подчеркнуть, что текущее состояние лабораторных исследований касается взаимодействия твердого тела (в основном и, что наиболее важно, для кругового цилиндра), степени свободы которого были уменьшены с шести до часто одной (т. Е. Поперечное движение) с трехмерное отрывное течение, в котором преобладают крупномасштабные вихревые структуры.
