摘要: 涡激振动是引起海洋管线疲劳损伤的一个重要因素，涡激振动特性的准确描述有助于疲劳寿命的精准预报，从而保证管线安全稳定的工作。海洋管线的涡激振动极其复杂，多简化为刚性圆柱体作为其机理研究的基础，而柔性管线涡激振动的数值模拟中也多采用“切... 展开 涡激振动是引起海洋管线疲劳损伤的一个重要因素，涡激振动特性的准确描述有助于疲劳寿命的精准预报，从而保证管线安全稳定的工作。海洋管线的涡激振动极其复杂，多简化为刚性圆柱体作为其机理研究的基础，而柔性管线涡激振动的数值模拟中也多采用“切片法”，因此刚性圆柱体振动特性的研究对柔性管线涡激振动特性的预报起指导作用，是当前深入理解涡激振动机理的主要手段。 近几十年出现大量有关刚性圆柱体涡激振动的研究，得到了很多经典的现象和结论，但目前人们并未完全掌握其振动机理以及相关参数的影响规律。本文基于开源CFD软件平台OpenFOAM，采用RANS方法结合改进的湍流模型开展了刚性圆柱体涡激振动的数值研究，系统地讨论了固有频率比、质量阻尼比、雷诺数以及自由度等参数对振动特性的影响规律。具体的研究内容如下: 亚临界雷诺数范围内，RANS方法结合现有湍流模型圆柱绕流的模拟中存在着边界层过早发生转捩以及圆柱后侧尾流场粘性系数过度预报的问题，会导致圆周压力系数、分离角等参数分布的偏差。针对上述问题，本文结合SST k-ω和Launder与Sharma的低雷诺数k-ε(LSKE)模型的特点，提出了一种改进的湍流模型，对边界层和尾流场湍动能生成项和耗散项进行了修正。基于平板绕流问题的模拟，从湍流壁面率、网格收敛性和壁面网格敏感性三方面验证了改进湍流模型的可行性;在此基础上，分析了改进湍流模型在静止圆柱绕流问题模拟中的准确性，并对该模型适用的雷诺数范围进行了界定。 应用改进的湍流模型在亚临界雷诺数范围内开展了圆柱体横流向涡激振动的数值模拟，在低质量阻尼比系统中成功模拟出包括“上端分支”在内的典型三响应分支，通过与试验以及其他湍流模型模拟结果的对比验证了改进湍流模型在涡激振动模拟中的准确性。系统的讨论了质量比、阻尼比和雷诺数等关键参数对圆柱体横流向涡激振动特性的影响，归纳总结振幅、振动频率、升力和阻力系数以及力与位移的相位差等特征参数的变化规律。TrSL3雷诺数范围内成功模拟出与试验接近的更大振幅(1.79D)以及更广的锁定区域，对照Govardhan和Williamson的改进Griffin拟合曲线讨论了横流向最大振幅随质量阻尼比和雷诺数的变化规律。 应用改进的湍流模型，在亚临界雷诺数范围内开展了圆柱体双自由度涡激振动的数值模拟，得到与试验吻合更好的“超上端分支”，通过对比验证了改进湍流模型在圆柱体双自由度涡激振动模拟中的准确性。不同速度入口条件下模拟出与试验相似的“迟滞”现象，并对相关参数的影响进行了研究。在TrSL2雷诺数范围内系统讨论了质量比和阻尼比对振幅、振动频率、升力和阻力系数等参数的影响规律。TrSL3雷诺数范围内观察到了幅值更大、范围更广的“超上端分支”和锁定区域，在亚临界雷诺数范围内讨论了雷诺数对低质量阻尼比圆柱体双自由度涡激振动特性的影响规律。 在TrSL2雷诺数范围内应用改进的湍流模型开展了固有频率比(fnx/fny)对圆柱体双自由度涡激振动特性影响的研究，相比1.0≤fnx/fny≤2.0，fnx/fny＞ 2.0后振幅曲线的形态发生了较大的改变，得到了与试验类似的“双峰”现象，相应的振动频率、附加质量以及力系数等参数的变化趋势也出现了较大的差异，对应振幅较大的约化速度范围内，升力和阻力系数分别出现了幅值较大的三倍和四倍甚至更高倍的频率分量。系统分析了振幅、频率、力系数、附加质量、相位差以及振动轨迹等参数随固有频率比的变化规律。 收起